In welchem zellulären Kompartiment läuft der Calvin-Zyklus ab? Erläutern Sie, warum das Molekulargewicht der meisten am Calvin-Zyklus beteiligten Enzyme im aktiven Zustand kleiner ist als direkt nach der Translation! (6P) Nennen Sie ein Enzym des Calvin-Zyklus! (8P) In welchem zellulären Kompartiment ist Plastocyanin lokalisiert? (12P)
in Stomata der Chloroplasten
viele Enzyme des Chloroplasten sind im Kern codiert —> Synthese an Ribosomen im Cytosol —> Import durch TOC/TIC-Komplex —>für Import wird ein Transitpeptid benötigt, das am Enzym anhängt —> hohes Molekulargewicht —> nach dem Import wird Transitpeptid durch Proteasen entfaltet —> geringes Molekulargewicht
Enzym: RubisCo
Plastocyanin ist im Thylakoidlumen der Chloroplasten lokalisiert (am Elektronentransport zw. Fotosystem I und II beteiligt, nicht am Calvin-Zyklus selbst)
In welchem zellulären Kompartiment läuft der Calvin-Zyklus ab? Erläutern Sie, warum die meisten der am Calvin-Zyklus beteiligten Enzyme durch eine Protease prozessiert werden, bevor sie ihre Funktion wahrnehmen können! (8P)
Die meisten Proteine müssen in die Plastiden importiert werden, da sie kerncodiert sind & im Cytoplasma synthetisiert werden. Nach erfolgtem Import wird das Transitpeptid durch eine Protease abgespalten.
Was ist der Unterschied zwischen synonymen und nicht-synonymen Mutationen? Für welche Bereiche von Genen gilt diese Unterscheidung? (6P)
Synonyme Mutationen: Basenaustausch zu einem Codon, das trotzdem für dieselbe Aminosäure codiert
Nicht-synonyme Mutationen: Basenaustausch, der zu einem Codon führt, das für eine andere Aminosäure codiert
—> sense oder misense Mutationen
—> gilt für Exons, da diese translatierend sind & die Introns beim Spleisen
Beschreiben Sie die Funktion von Transkriptionsfaktoren! Nennen Sie drei verschiedene Wege der Regulation von Transkriptionsfaktoren! (9P)
Transkriptionsfaktoern binden direkt an die DNA & aktivieren oder inhibieren dadurch die Transkription
Weg der Regulation:
Lokalisierung: Import in den Kern durch anhängen von NLS
Modifikation: z.B. durch Phosphorylierung
Transkription: Regelung der Abundanz der Transkriptionsfaktoren (TF) durch Kontrolle der Transkription der TFs selbst
Abbau
Beschreiben Sie die Lage der Pflanze im Wasserpotentialgefälle zwischen Boden und Luft. Geben Sie ungefähre Werte an und erklären Sie, warum sich die osmotischen Potentiale der Zellsäfte von Wiesenpflanzen und Salzmarschpflanzen unterscheiden! (8P ; 10P)
Wasser fließt in Richtung des negativen Potentials
Wasserpotential Luft: -10 bis -100
Wasserpotential Boden: 0 bis 2,5
—> somit Wasserpotential der Atmosphäre Motor für den Wassertransport in der Pflanze
osmotische Potential: Je höher die Konzentration an gelösten Teilchen, desto negativer das osmotische Potential.
das osmotische Potential von Wiesenpflanzen ist höher als bei Salzmarschpflanzen —> bei Salzmarschpflanzen hat der Boden wegen dem Salzgehalt ein niedriges Potential, das der Pflanze muss noch negativer sein, damit Wasser einströmen kann
Wie unterscheidet sich der zyklische vom nicht-zyklischen Elektronentransport bei der Photosynthese [in Bezug auf den Ablauf und die produzierten energiereichen Verbindungen]? (6P) Warum zeigen C4-Pflanzen meist einen stärkeren zyklischen Elektronentransport als C3-Pflanzen? (10P)
Beim zyklischen Elektronentransport werden Elektronen vom Ferredoxin zurück in den Plastochinon-Pool eingespeist & nicht wie beim nicht-zyklischen auf NADP+ übertragen.
Beim zyklischen Elektronentransport wird also kein NADPH gebildet, jedoch verstärkt ATP, durch die Oxidation des Plastochinonsystems an der Lumen-Seite & Reduktion an der Stroma-Seite. Dadurch wird eine pmf (=proton motive force) aufgebaut.
C4-Pflanzen haben einen erhöhten ATP-Bedarf (5Mol ATP /Mol CO2 anstelle von 3 Mol ATP/Mol CO2), da sie den Akzeptor der ersten CO2-Fixierung, Phosphoenolpyruvat, unter ATP-Verbrauch synthetisieren müssen.
Warum wird der Begriff „Photorespiration“ verwendet und damit eine Analogie zur Atmung angedeutet? Welche Zell-Kompartimente sind an der Photorespiration beteiligt? Was ist die Funktion der Photorespiration? (10P)
Analogie: O2 wird verbraucht, CO2 wird synthetisiert
Zell-Kompartimente: Chloroplasten, Peroxisomen, Mitochondrien
Funktion: Ausgleich der Oxygenaktivierung von RubisCo, wenn RubisCo O2 fixiert, entsteht ein C3-Körper (3-Phosohoglycerat) & ein C2-Körper (Phosphoglykolat). C3-Körper kann ganz normal im Calvin-Zyklus genutzt werden. Der C2-Körper muss erst umgewandelt werden & kann dann eingeschleust werden.
ohne Photorespiration wäre Kohlenstoffbilanz netto negativ
Der Begriff „Photorespiration“ deutet eine Analogie zur Atmung an. Worin besteht diese Analogie? Welche Zell-Kompartimente sind an der Photorespiration beteiligt? Warum ist Ferredoxin Teil der Summenformel der Photorespiration? Begründen Sie Ihre Antwort möglichst mit Verweis auf die verantwortlichen enzymatischen Reaktionen! (12P)
Rückgewinnung des fixierten Kohlenstoffs —> netto CO2-Freisetzung unter O2-Verbrauch —> entspricht der Atmung
beteiligte Kompartimente: Chloroplasten, Peroxisomen, Mitochondrien
bei der Glycin-Decarboxylase-Reaktion wird NH4+ frei
2 Glycin —> Serin + CO2 + NH4+
das NH4+ muss assimiliert werden —> geschieht durch Übertragung auf Glutamat
das Glutamat entstammt der Reaktion von Glutamin mit 2-Oxoglutarat; diese Reaktion benötigt reduziertes Ferredoxin
Der Begriff „Photorespiration“ deutet eine Analogie zur Atmung an. Worin besteht diese Analogie? Erklären Sie das unter Verwendung der Summenformel der Photorespiration! Welche Zell-Kompartimente sind an der Photorespiration beteiligt? (12P)
O2 + RuBP —> 2PGA + Phosphoglycolat
RuBP = Ribulose-1,5-bisphosphat
2PGA = 2-Phosphoglycerat
Warum ist Ferredoxin Teil der Summenformel der Photorespiration? Begründen Sie Ihre Antwort möglichst mit Verweis auf die verantwortlichen enzymatischen Reaktionen! (8P)
Erläutern Sie das Prinzip des Crassulaceen-Säure-Stoffwechsels (CAM) aus der Sicht der Photosynthese! (10P)
CO2-Fixierung nachts bei geöffneten Stomata durch PEP-Carboxylase zu Oxalacetat —> Umwandlung in Malat & Speicherung in der Vakuole als Apfelsäure —> am Tag werden Stomata geschlossen —> kein Wasserverlust durch Transpiration —> Apfelsäure wird aus Vakuole als Malat zum Calvin-Zyklus transportiert & dort decarboxyliert
—> frei werdender CO2 wird durch RubisCo im Calvin-Zyklus fixiert ==> liefert benötigtes CO2 für Photosynthese am Tag, wenn Stomata geschlossen sind
Nehmen wir vereinfachend an, dass ein neugebildetes Blatt ca. 1,8 g Kohlenstoff enthält und dieser Kohlenstoff aus Glucose-Einheiten besteht. 1,8 g Kohlenstoff entsprechen etwa 0,01 Mol Glucose (180,156 g/mol). Schätzen Sie nachvollziehbar ab, wie viele Mol ATP in diese Synthese investiert wurden:
a. für eine C3-Pflanze
b. für eine C4-Pflanze.
Wie viele ATP-Moleküle sind das jeweils in etwa? (10P)
C3: 3 Mol ATP/Mol CO2 ; C4: 5 Mol ATP/Mol CO2
Verbraucht pro Synthese: 0,01 Mol
—> Glucose ist ein C6-Körper
—> 1 Mol = 6,022*10^23 Teilchen
==> C3: 3 ATP/CO2 * 6 * 0,01 * 6,022*10^23 = 0,18 * 6,022* 0^23 Teilchen
==> C4: 5 ATP/CO2 * 6 * 0,01 * 6,022*10^23 = 0,30 * 6,022* 0^23 Teilchen
Wie entsteht das von Pflanzenwurzeln genutzte Nitrat? Nennen Sie die wesentlichen Schritte der Nitratassimilation durch Pflanzen! Warum kann auf Felder ausgebrachtes Nitrat in das Grundwasser gelangen? In welchem Prozess wird Nitrat außerhalb von Pflanzen umgesetzt? (12P)
Nitrat entsteht durch biologische Stickstofffixierung von N2 durch Mikroorganismen (in Symbiose mit Pflanzen) —> NH4+ entsteht
—> Nitrifikation zu NO3- durch Mikroorganismen
Nitrat wird entgegen eines negativen Membranpotentials durch Symport mit H+ unter Energieverbrauch aufgenommen —>Speicherung in Vakuole oder Reduktion zu NO2- durch Nitrat-Reduktase —> NO2- wird durch Nitrat-Reduktase zu NH4+ —> Bildung von Glutamin durch Glutamat als Akzeptor —> Glutamat-Synthese aus Glutamin & alpha Ketoglutarat —> aus Glutamat können Aminosäuren hergestellt werden
Nitrat ist sehr gut löslich —> gelangt durch über Haber-Bosch-Verfahren entstandenen Dünger ins Grundwasser
Nitrat wird bei Denitrifikation durch Mikroorganismen zu N2
Wofür stehen die Zahlen 1 bis 8 („1“ und „2“ sind Stoffwechselwege, „3“ bis „8“ Stoffwechselprodukte)? Unter welchen Bedingungen läuft der dargestellt Prozess ab? Wie wird Metabolit „5“ sonst weiter verstoffwechselt? (12P)
Glykolyse
(anaerobe) Gärung
ADP + Pi
NAD+
Pyruvat
CO2
Acetaldehyd
Lactat
a) Wofür stehen die Farben? (8P)
b) Was ist der Unterschied zwischen synonymen und nicht-synonymen Mutationen? Für welche Bereiche von Genen gilt diese Unterscheidung? (6P)
a)
b)
Betrifft Exons in Bereich von Genen
Welche Membran muss ein K+-Ion auf dem Weg von der Bodenlösung in eine Mesophyllzelle passieren? (6P)
Plasmamembran der Wurzelhaarzellen
Plasmamembran der Rindenzellen
Plasmamembran der Endodermis
Plasmamembran des Perikambium
Membran der Leitgefäße über Xylem
Plasmamembran der Mesophyllzelle
Zeichnen Sie unter Verwendung einer y-Achse das Z-Schema der Photosynthese mit den wichtigen Proteinkomplexen und mobilen Elektronenüberträgern! (9P)
C4-Pflanzen besitzen 2 Typen von Chloroplasten. Wo sind diese lokalisiert und wie unterscheiden sie sich hinsichtlich ihrer Ultrastruktur? Was lässt sich aus der Ultrastruktur im Hinblick auf die jeweilige Funktion dieser Chloroplasten bei der C4-Photosynthese sagen? (8P)
in Mesophyllzellen
—> kleiner aber mit mehr Stärke
in Bündelscheidezellen
—> größer mit eingelagerter Stärke ohne Grana-Stapel
—> wenig PS II
in Mesophyllzellen Trennung von CO2-Fixierung über PEP-Carboxylase & RubisCo zur Verwendung in Bündelscheidezellen
Wofür stehen die Zahlen 1 bis 6? (6P)
SO32-
Nitratreduktase (NIR)
NO2-
NADPH + H+
Ferredoxin
Plastoquinon (PQ)
Erklären Sie zwei mögliche Gründe dafür, dass Gregor Mendel seine aufgrund von Kreuzungen verschiedener Erbsen-Linien formulierten Gesetze bei Kreuzungen von Individuen einiger anderer Pflanzenarten nicht bestätigen konnte.
Manche Pflanzenarten zeigen Apomixis. Dabei werden Samen asexuell nur aus mütterlichem Gewebe gebildet. Die Nachkommen zeigen dann vornehmlich den mütterlichen Phänotyp.
Bei Vorliegen genetischer Kopplung durch Nähe der verantwortlichen Loci auf einem Chromosom werden zwei Merkmale nicht unabhängig vererbt.
Eine weitere Möglichkeit ist extrachromosomale Vererbung. Wenn das Merkmal im Plastidengenom codiert ist, beobachtet man keine normale Segregation, da nur die weiblichen Gameten Plastiden zur Zygote beisteuern.
Was lässt sich bei Licht in diesem Versuchsaufbau beobachten und warum? (6P)
Quecksilbersäule steigt, d.h. Unterdruck entsteht
im Licht werden die Stomata geöffnet
—> es kommt zur Transpiration & zu einem Transpirationssog im Xylem
Wasser fließt nach
Warum werden ATP und NADPH benötigt, um Eisen als Fe2+-Ion aus dem Boden in eine Wurzelzelle aufzunehmen? (8P)
das im Boden dominierende Fe3+ ist kaum löslich
durch ATP-getriebene Ansäuerung der Rhizosphäre (Protonenpumpe oder H+-ATPasen) wird Löslichkeit erhöht
Reduktasen in Plasmamembran reduzieren Fe3+ zum besser löslichen Fe2+
Elektronendonator ist NADPH
Skizzieren Sie grob die Absorptionsspektren von Chlorophyll a und Chlorophyll b (mit Beschriftung der x- und y-Achse)! Haben Schatten- oder Sonnenblätter einen höheren Chlorophyll b-Anteil? Warum? (8P)
Schattenblätter haben einen höheren Chlorophyll b-Anteil, um mehr Licht in der Grünlücke absorbieren zu können.
Welcher Prozess ist hier dargestellt? Wofür stehen die Buchstaben [a bis h]? (12P) In welchen Habitaten dominieren Pflanzen, die diesen Prozess ausprägen? Wie lässt sich das erklären? (16P)
==> C4-Photosynthese
a. Bündelscheiden
b. Mesophyll
c. Pyruvat
d. HCO3-
e. Calvin-Zyklus
f. Saccharose
g. Oxalacetat
h. Stärke
i. ATP
j. Thylakoid
==> trockene Standorte
—> besser an Wasserknappheit angepasst
—> nutzen effizienter Lichtenergie
—> reduzieren den Wasserverlust durch Transpiration
Was besagt die Münch’sche Druckstromtheorie? Welcher Prozess in Pflanzen wird damit erklärt? (8P)
Assimilate werden vom Quellgewebe zum Sinkgewebe aufgrund einer osmotisch erzeugten Druckdifferenz als Massenströmung transportiert
Assimilate werden in Quellgewebe durch Photosynthese erzeugt
Assimilate gelangen in Phloem, erzeugen osmotischen Quelldruck & erzeugen einen Druckgradienten osmotischer Druck treibt Assimilatfluss von Quell- zu Senkungsgewebe
in Senkungsgewebe werden Assimilate entladen & verwendet
ein Teil der Assimilate wird zurück in Quellgewebe für kontinuierlichen Fluss transportiert
Druckgradient im Phloem sorgt für kontinuierlichen Assimilatfluss
beschreibt den Transport von Assimilaten (v.a. Zucker) im Phloem von Pflanzen über lange Entfernungen
Warum ist genetische Diversität von Populationen auf Inseln meist geringer als auf dem Festland? (6P)
Durch die geographische Isolation auf Inseln ist der Genpool begrenzt & neue Kombinationen können nur durch Rekombination bzw. Crossing-over & Mutationen entstehen.
—> Gründereffekt (genetischer Drift)
Füllen Sie die Lücken in diesem Text:
Ein CO2-Molekül wird in C4-Pflanzen zweimal fixiert, einmal in den ______zellen durch die ______, dann durch die______ in den ______zellen. Von den ______zellen wird fixiertes CO2 als ______ abgegeben. Vorteil der C4-Photosynthese ist, dass in der Umgebung der ______ eine hohe CO2-Konzentration herrscht. Dadurch wird deren ______-Aktivität unterdrückt und die ______ vermieden. Nachteilig ist der höhere Energieaufwand pro Molekül fixiertem CO2: ___ Mol ATP/Mol CO2 anstelle von ___ Mol ATP/Mol CO2 in C3-Pflanzen. Die idealen Habitate von C4-Pflanzen zeichnen sich deshalb durch ______ aus. (12P)
Ein CO2-Molekül wird in C4-Pflanzen zweimal fixiert, einmal in den Mesophyllzellen durch die PEP-Carboxylase, dann durch dieRubP-Carboxylase in den Bündelscheidezellen. Von den Bündelscheidezellen wird fixiertes CO2 als Saccharose abgegeben. Vorteil der C4-Photosynthese ist, dass in der Umgebung der Chloroplasten eine hohe CO2-Konzentration herrscht. Dadurch wird deren Oxygenase-Aktivität unterdrückt und die Photorespiration vermieden. Nachteilig ist der höhere Energieaufwand pro Molekül fixiertem CO2: 5 Mol ATP/Mol CO2 anstelle von 3 Mol ATP/Mol CO2 in C3-Pflanzen. Die idealen Habitate von C4-Pflanzen zeichnen sich deshalb durch hohe Temperatur aus.
Nennen Sie 4 [oder 5] verschiedene physiologisch relevante Akzeptormoleküle für Elektronen, die von reduziertem Ferredoxin übertragen werden! (8P) Nennen Sie auch jeweils die biologische Funktion! (10P)
Übertragung auf NADP+
Nitrit-Reduktion: Übertragung auf NO2-
Sulfit-Reduktion: Übertragung auf SO32-
Übertragung auf Plastochinon
Wofür stehen die Buchstaben a bis f? (12P)
a. RubP
b. PGS
c. Stärke
d. TPPT
e. Saccharose
f. Siebröhre
Wie heißen die Faltungshelfer für Proteine? Erklären Sie, warum auch im Stroma von Plastiden Faltungshelfer präsent sein müssen. (8P)
Faltungshelfer: Chaperone
Proteine müssen durch Chaperone gefaltet werden, um aktiv zu sein
95% der Proteine sind im Zellkern codiert, werden im Cytoplasma an den Ribosomen synthetisiert & müssen in die Plastiden importiert werden —> Import über TOC/TIC-Komplex ==> Import nur in entfalteter Form möglich —> Proteine müssen in den Plastiden gefaltet werden, um aktiv zu sein ==> Chaperone müssen im Stroma vorhanden sein, um dort die Proteine zu falten
Was ist das Domestikationssyndrom? Warum spricht man in diesem Zusammenhang nicht von Züchtung? Welche klimatischen Faktoren haben die Entstehung der Landwirtschaft vor ca. 10.000 Jahren gefördert? (10P)
Domestikationssyndrom:
durch Selektion durch den Menschen haben sich Eigenschaften durchgesetzt, die den Menschen mützen, für Pflanzen in freier Natur aber von Nachteil wären
Eigenschaften:
größere Früchte oder Körner
robustere Pflanzen, stärker determiniertes Wachstum, apikale Dominanz
Verlust der natürlichen Samenausbreitung
Physiologische Veränderungen wie eine Reduktion von Bitterstoffen in essbaren Organen
Unterschied Züchtung:
Domestikation: Selektion nach dem Menschen passenden Merkmalen, welche nicht unbedingt die Überlebensfähigkeit der Pflanze erhöhen
Züchtung: Merkmale sollen durch Kreuzungen kombiniert werden
letzte Eiszeit vor etwa 11.500 Jahren
—> rapide CO2-Erhöhung in Atmosphäre —> Unterdrückung der Oxygenase-Aktivität der RubisCO —> weniger Kohlenstoffrückgewinnung nötig —> weniger Energieverbrauch ==> mehr Biomasseproduktion
Wie nennt man das unten gezeigte Phänomen der Abscheidung von Wassertropfen an Blatträndern? Unter welchen Bedingungen vor allem ist es zu beobachten? Wie lässt es sich erklären? (10P)
—> Phänomen: Guttation
zu beobachten: nachts, wenn Stomata geschlossen & keine Transpiration stattfindet, aber Pflanzen das osmotische Potential regulieren, indem sie Ionen in das Xylem transportieren, was Wasserpotential im Xylem verringert & Wasser in Richtung des negativen Potentials nachfließt —> Wurzeldruck baut sich auf —> Endodermis verhindert, dass Wasser zurückfließt —> da Wasser nicht über Stomata entweichen kann, wird Wasser durch den Wurzeldruck an Blatträndern herausgepresst
auch zu beobachten bei hoher Luftfeuchtigkeit (auch Tags)
—> Wasserpotential der Luft zu groß, um Wasser aus Transpiration über Stomata aufzunehmen —> Wasser wird am Blattrand herausgedrückt
Durch CO2-Fixierung im Calvin-Zyklus gewonnene Triosephosphate werden für die Synthese vor allem welcher zwei Moleküle genutzt? Wo finden diese Synthesen statt? Welche Funktionen erfüllen die synthetisierten Moleküle? (8P)
Transitorische Stärke & Saccharose
T-Stärke: wird gespeichert als Kohlenhydrat & Energielieferant & über Nacht als Assimilat zu Saccharose synthetisiert, diese wird dann in weitere Stoffwechselwege eingespeist
Saccharose: Einspeisung in Glykolyse & Atmung, Transport in Sink-Zelle; Synthese findet im Chloroplasten & im Cytosol statt
Warum ist die C4-Photosynthese energieaufwändiger als die C3-Photosynthese? Welche Reaktion ist für diesen Unterschied vor allem verantwortlich? (8P) Wie groß ist der Unterschied? (11P)
C3: 3 Mol ATP/Mol CO2 nötig
C4: 5 Mol ATP/Mol CO2 nötig
Bei C4-photosynthese wird CO2 zweimal fixiert, einmal in den Mesophyllzellen durch PEP-Carboxylase & einmal in den Bündelscheidezellen durch RubisCo.
Zweimal muss ein Akzeptormolekül synthetisiert werden
Die verantwortliche Reaktion ist die Synthese von Phosphoenolpyruvat aus Pyruvat, dies kostet nochmal 2 ATP extra.
Wie gelangen Assimilate aus einem reifen Blatt mit hoher Photosynthese-Leistung in ein junges, wachsendes Blatt? Wie heißt die diesen Prozess erklärende Theorie? (9P)
Münch’sche Druckstromtheorie:
Beschreibt die Richtung des Transports von Wasser & Nährstoffen im Phloem. Dies wird durch eine hydraulische Verbindung der Zellen ermöglicht (Plasmodesmata). Erst befindet sich ein hoher hydrostatischer Druck im assimilatreichen Blatt, wobei eine Massenströmung erfolgt; dann geht es in Richtung niedrigen hydrostatischen Drucks (assimilatarmes Blatt), aufgrund der Druckdifferenz entsteht ein osmotischer Gradient
Erklären Sie, warum eine Pflanze unter Wassermangel mehr Chlorophyll-Fluoreszenz zeigt als eine gut mit Wasser versorgte (bei ansonsten gleichen Bedingungen)! (8P) Ist die Chlorophyll-Fluoreszenz auch bei niedrigeren Temperaturen erhöht? Begründen Sie Ihre Antwort! ( 12P)
bei Wassermangel Stomata geschlossen (da sonst zu viel Wasser verdunstet = Transpiration), dadurch keine CO2-Aufnahme
CO2 wichtig für den Calvin-Zyklus, ohne CO2 kann er nicht ablaufen
Thylakoidreaktion läuft aber weiterhin —> NADPH & ATP werden produziert, können aber im Calvin-Zyklus nicht verbraucht werden —> Rückstau (Strahlungsenergie vom Chlorophyll kann nicht abfließen) —> Abstrahlung überschüssiger Energie in Form von Fluoreszenz
Bei niedrigen Temperaturen wird die Fluoreszenz auch erhöht sein, da bei niedrigen Temperaturen die Enzyme nicht im Temperatur-Optimum arbeiten & somit langsamer sind; dadurch kommt es immer noch zu einem Rückstau
==> Ja
da niedrige Temperaturen die Photosyntheseaktivität beeinträchtigen können, da viele enzymatische Reaktionen in diesem Prozess temperaturabhängig sind
bei niedr. Temperatur können Enzyme der Photosynthese weniger effizient arbeiten —> Ungleichgewicht zw. Absorbierten Lichtenergie & tatsächlichen Nutzen in der Photosynthese
Was ist mit Genfluss gemeint? Wie geschieht Genfluss im Pflanzenreich vor allem? Nennen Sie 2 Mechanismen, möglichst unter Nennung des jeweiligen Fachbegriffs. (8P)
Genfluss: Der Ein- & Austrag von Allelen aus einer Population durch Ein- & Auswanderung von Individuen
Mechanismen:
Pollenverbreitung
Anemophilie (durch Wind)
Zoophilie (durch Tiere)
Samenverbreitung
Anemochorie (durch Wind)
Zoochorie (durch Tiere)
Enthalten die Gene im Plastidengenom Introns? Begründen Sie Ihre Antwort! (4P)
in den meisten Fällen enthalten Plastidengene keine oder nur wenige Introns
Plastidengenome sind im Vgl. zu Genomen des Zellkerns kompakter (einige Pflanzen können Ausnahmen darstellen)
plastidische Gene neigen dazu intronär weniger komplex zu sein
Erklären (nicht: Beschreiben) Sie den Kurvenverlauf in der Abbildung.
Insbesondere: Warum sinkt die Phosphat-Aufnahme im Dunkeln nicht abrupt, sondern allmählich über mehrere Tage ab, steigt dann aber schneller wieder an? (10P)
Phosphataufnahme ist Energieabhängig, es wird also ATP benötigt, da Phosphat als Anion entgegen des negativen Membranpotential im Symport mit H+ aufgenommen werden muss
Wurzelzelle bekommt ATP durch Zuckeraufnahme über das Phloem, Zucker = Glucose wird durch Photosynthese erzeugt —> Lichtabhängig
Ohne Licht kann die Photosynthese nicht mehr stattfinden, es wird also keine neue Glucose mehr gebildet, also keine Energie mehr, somit versiegt Phosphataufnahme langsam
Bei Licht steigt die Phosphataufnahme schnell an, da wieder Zucker synthetisiert wird & so Energie für die Aufnahme vorhanden ist
Warum enthält der Begriff Crassulaceen-Säure-Stoffwechsel (engl. Abgekürzt CAM) den Begriff „Säure“? Erklären Sie dies anhand der wesentlichen Schritte des CAM. (10P)
—> weil eine der zentralen chemischen Verbindungen, die während dieses speziellen Stoffwechselwegs gebildet wird, eine organische Säure ist
Wesentlichen Schritte des CAM-Stoffwechsels:
Dunkelphase (Nachtzeit):
CAM-Pflanzen öffnen Stomata, um CO2 aufzunehmen; geschieht, wenn Umgebung kühler/feuchter, was Wasserverlust durch Transpiration reduziert
aufgenommenes CO2 wird mit PEP kombiniert —> bildet Oxalacetat (organische Säure)
Frühe Morgenstunden (Morgentau):
gebildetes Oxalacetat wird zu Malat oder Asparaginsäure umgewandelt und in Vakuolen der Zelle gespeichert —> Säuren dienen als temporäre Kohlenstoffspeicher
Lichtphase (Tageszeit):
Sonne scheint —> Stomata geschlossen, um Wasserverlust zu minimieren
nachts gespeicherte(s) Malat oder Asparaginsäure wird in Chloroplasten decarboxyliert —> Freisetzung von CO2 für Photosynthese —> trägt zur Bildung von Triosephosphat und zur weiteren Kohlenstofffixierung bei
Was besagt die 3. Mendelsche Regel und in welchen Fällen gilt sie nicht? (6P)
Freien Kombinierbarkeit: Merkmale können unabhängig voneinander vererbt werden. Es entstehen Merkmalskombinationen, die in den Eltern nicht vorlagen.
Wenn zwei Merkmale von Genen auf demselben Chromosom abhängig sind, kann keine freie Kombinierbarkeit beobachtet werden.
Nennen Sie vier Eigenschaften, die Arabidopsis thaliana zu einem sehr wichtigen molekularbilogischen Modellsystem gemacht haben! (8P)
kleines Genom
Homozygotie
hohe Nachkommen Anzahl
gute Kultivierbarkeit
kurze Generationsdauer
Welche Funktion hat Plastocyanin? Erklären Sie, warum Plastocyanin nach der Translation im Cytosol zwei Signalsequenzen trägt! (8P)
Plastocyanin dient als mobiler Elektronencarrier in der Thylakoid-Reaktion der Photosynthese zwischen Cytochrom b6f & Photosystem I.
Plastocyanin hat 2 Signalsequenzen, da es im Cytosol synthetisiert wird & zunächst in den Chloroplasten importiert werden muss & danach in das Thylakoid-Lumen (posttranslationaler Import) —> 2 Importe, als auch 2 Importsequenzen
Welche Reaktion (nur Summengleichung!) katalysiert die Glycindecarboxylase? In welchem Organell ist dieser Enzymkomplex lokalisiert? Wie heißt der Stoffwechselweg, an dem die Glycindecarboxylase beteiligt ist? (9P)
2 Glycin + NAD+ —> Serin + CO2 + NH4+ + NADH + H+
Reaktion findet in den Mitochondrien statt, dort ist auch das Enzym zu finden.
Der Stoffwechselweg ist die Photorespiration.
Welche Rolle spielen auswärtsgleichrichtende K+-Kanäle für die Reaktion der stomatären Apertur? Wie werden diese Kanäle aktiviert? (6P)
Spaltöffnungen sind turgorgeseteuerte Ventile —> Zunahme des Turgors —> Öffnung der Stomata
für Zunahme des Turgors müssen K+-Ionen in die Schließzellen strömen
dies geschieht über einwärts-gleichgerichtete K+-Kanäle, die durch eine Hyperpolarisation der Membran (ausgelöst durch Blaulicht) geöffnet werden
bei unzureichender Wasserversorgung wird ein Pflanzenhormon gebildet, welches zu einer Depolarisation der Membran führt —> einwärts-gerichteten K+-Kanäle schließen sich, auswärts-gerichteten K+-Kanäle öffnen sich —> K+-Ionen strömen aus —> Turgor sinkt —> Stomata schließen sich
Wie heißt das erste nachweisbare Produkt der C3-Photosynthese? Wie hat man das herausgefunden? Welches Molekül entsteht aus dem ersten nachweisbaren Produkt in der reduzierenden Phase des Calvin-Zyklus? (7P)
1. nachweisbares Produkt: 3-Phosphoglycerat
Calvin-Experiment: Photosynthese von Algenzellen in Gegenwart von radioaktiven-markierten CO2, abstoppen nach kurzen Zeiträumen durch Ablassen der Zelle in heißem Ethanol, Aufreinigung & Identifizierung der markierten Verbindungen
Moleküle: Triosephosphat
C4-Photosynthese: Oxalacetat
Wofür stehen die Zahlen 1 bis 10? (10P)
Cu
2 NADPH + 4 H+
Cytochrom b6f-Komplrx
Photosystem II
PQH2
O2 + 4 H+
Thylakoid
ATP-Synthase
Photosystem I
Welcher Prozess ist hier dargestellt? Wofür stehen die Buchstaben? (10P)
a. Mesophyllzelle
b. PEP-Carboxylase
c. Oxalacetat
d. PEP
e. Bündelscheidezelle
f. Calvin-Zyklus
g. Saccharose
h. Phloem
Nitrat wird in einem ______ mit Protonen in Pflanzenzellen aufgenommen. Im Cytosol wird es durch die Nitrat-______ zu ______ umgesetzt. Der zweite enzymatische Schritt läuft in ______ ab. Dabei entsteht ______, das auf den Akzeptor ______ übertragen wird. So entsteht ______ welches dann mit 2-Oxyglutarat reagiert, einem Intermediat des ______-Zyklus. (8P)
Nitrat wird in einem Symport mit Protonen in Pflanzenzellen aufgenommen. Im Cytosol wird es durch die Nitrat-Reduktase zu Nitratumgesetzt. Der zweite enzymatische Schritt läuft in Plastiden ab. Dabei entsteht Ammonium, das auf den Akzeptor Glutamat übertragen wird. So entsteht Glutamin, welches dann mit 2-Oxyglutarat reagiert, einem Intermediat des Citrat-Zyklus.
Skizzieren Sie den globalen Stickstoffkreislauf, indem Sie die entscheidenden Stoffumwandlungen benennen! Was ist der biologische Grund dafür, dass Leguminosen wie Sojabohne und Erbse besonders gute Proteinquellen für die menschliche Ernährung sind? (10P)
Leguminosen gehen Symbiose mit Rhizobium-Bakterien (Knöllchenbakterien) ein.
Diese betreiben Stickstofffixierung an den Wurzeln der Pflanze, sodass immer genug Stickstoff zur Verfügung steht.
Nehmen wir vereinfacht an, dass ein neugebildetes Blatt ca. 6 g Kohlenstoff enthält und dieser Kohlenstoff zu 60% aus Glucose-Einheiten besteht. Das Molekulargewicht von Glucose ist ca. 180 g/mol. Schätzen Sie nachvollziehbar ab, wie viele Mol ATP in diese Synthese investiert wurden:
Positionieren Sie Nitrat im globalen Stickstoff-Kreislauf. Begründen Sie, warum nitratreiche Pflanzen wie Kopfsalat, Spinat oder Rucola am Abend geerntet werden sollten. (10P)
Nitratreiche Pflanzen wie Kopfsalat, Spinat oder Rucola sollten am Abend geerntet werden, wenn die Nitratkonzentration wahrscheinlich niedriger ist als tagsüber. Dies minimiert potenzielle gesundheitliche Risiken und berücksichtigt tageszeitliche Schwankungen.
Welches Molekül entsteht aus dem ersten nachweisbaren Produkt in der reduzierenden Phase des Calvin-Zyklus?
= Triosephosphat
Nennen Sie 3 Arten posttranslationaler Modifikationen von Proteinen. (6P)
Phosphorylierung
Methylierung
Acetylierung
Pflanzen, die einen __________ zeigen, öffnen ihre Stomata bei Nacht. Dadurch reduzieren sie die Wasserverluste über ____________. In der Nacht wird CO2 durch die ________ fixiert. Das entstehende ________ wird zu Malat reduziert und in der ________ gespeichert. Am Tag wird Malat wieder frei, wird decarboxyliert und das entstehende CO2 in den __________ eingespeist, d.h. durch die ________ fixiert. Ein ideales Habitat für Pflanzen mit dieser Anpassung sind ________________. (12P)
Pflanzen, die einen CAM-Stoffwechsel zeigen, öffnen ihre Stomata bei Nacht. Dadurch reduzieren sie die Wasserverluste über stomatäre Transpiration. In der Nacht wird CO2 durch die PEP-Carboxylase fixiert. Das entstehende Oxalacetat wird zu Malat reduziert und in der Vakuole gespeichert. Am Tag wird Malat wieder frei, wird decarboxyliert und das entstehende CO2 in den Calvin-Zyklus eingespeist, d.h. durch die RubisCO fixiert. Ein ideales Habitat für Pflanzen mit dieser Anpassung sind trockene Standorte.
Der Transport von Mineralstoffen zu einem reifenden Samen muss über das Phloem erfolgen. Erklären Sie diesen Satz! (8P)
Der Transport von Mineralstoffen zu einem reifenden Samen erfolgt über das Phloem, das als Leitgewebe spezialisiert ist. Das Phloem ermöglicht die Translokation von Nährstoffen, insbesondere organischen Molekülen wie Saccharose, von den Quellen, wie den Blättern, zu den Senken, wie den reifenden Samen. Dieser aktive Transportprozess unterstützt das Wachstum und die Entwicklung des Samens. (?)
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