Bernhard Sieve und Sascha Offermann

Fotosynthese chemisch betrachtet

Fotosynthese, Redoxreaktionen, Struktur-Eigenschafts-Konzept
Fotosynthese chemisch betrachtet, © Iakov Kalinin | Shutterstock

Bernhard Sieve und Sascha Offermann

Grundlegende chemische Konzepte an einem typisch biologischen Thema vermitteln

„Ohne Fotosynthese gäbe es kein Leben auf der Erde, so eine häufig zu lesende Aussage in Biologiebüchern. Betrachtet man die Verteilung von Chlorophyll auf unserem Planeten (Abb.1 ), erscheint dies plausibel, denn das Leben, wie wir es kennen, spielt sich überwiegend unter den heute herrschenden oxidativen Bedingungen ab. In diesem Beitrag wird an Beispielen aufgezeigt, wie sich die lichtinduzierten Elektronenübertragungsreaktionen der Fotosynthese als Kontext für die Anwendung der Basiskonzepte Donator-Akzeptor, Energie-Konzept und Struktur-Eigenschafts-Konzept nutzen lassen (Tab.1 ) beispielsweise zur Vorbereitung auf das Abitur. Kenntnisse über Elektronenübertragungsreaktionen sowie zur Farbigkeit von Stoffen sind wesentliche inhaltliche Voraussetzungen für die Bearbeitung der Aufgaben. Die Materialien und Experimente (Arbeitsblätter1 bis 4 ) sind dabei als Lerntheke konzipiert und können in Freiarbeit oder auch als Stationenlernen durchgeführt werden. Kooperative Elemente sind über Partneraufgaben angelegt. Fachliche Informationen, die für das Verständnis für Sie als Lehrkraft wichtig sind, ergänzen die Schülermaterialien (s. Kasten1).
Ergänzende Informationen
Ergänzende Informationen
Thema 2: Licht und Farbigkeit
Erklärung zu Versuch 2:
Die Rotfluoreszenz des Extrakts erlischt, sobald man Wasser hinzu tropft. In der organischen Phase liegen die Chlorophyll-Moleküle frei vor, sodass keine Elektronenübertragung auf andere Chlorophyll-Moleküle erfolgen kann und ein Teil der aufgenommenen Energie als Fluoreszenzlicht abgestrahlt wird. Bei Zugabe von Wasser aggregieren die Chlorophyll-Moleküle, indem die polaren Teile von Porphyrinringen miteinander und mit den Wasser-Molekülen wechselwirken. In den sich bildenden Micellen sind die Chlorophyll-Moleküle nahe beieinander, sodass die aufgenommene Lichtenergie über strahlungslosen Übergang auf die Moleküle verteilt werden kann und die Fluoreszenz erlischt. Seife führt zum Disaggregieren der Chlorophyll-Moleküle; die Fluoreszenz tritt in schwächerer Form wieder auf.
Fachinformation zu Versuch 2
Die fotosynthetisch aktiven Chromophoren sind in der inneren Chloroplastenmembran (Thylakoide) lokalisiert (Abb.2 ). Die Anordnung der beiden Fotoysteme ist dabei nicht willkürlich, wie man annehmen könnte und wie es vielfach aus grafischen Gründen in Schul- und Fachlehrbüchern dargestellt wird. Während Fotosystem II und der Cytochrom b6f-Komplex vorwiegend in den gestapelten Bereichen der Thylakoide lokalisiert sind (Grana-Stacks) befinden sich Fotosystem I sowie die ATP-Synthase-Komplexe vorwiegend in den ungestapelten Regionen (Stroma-Lamellen). Die physiologische Notwendigkeit der räumlichen Trennung der beiden Fotosysteme ist bis heute nicht völlig aufgeklärt. Man geht aber davon aus, dass die Trennung dazu dient, die Verteilung der zur Verfügung stehenden Anregungsenergie zwischen den langsamen (PSII) und schnellen (PSI) Fotosystemen zu regulieren. Zudem wird auch eine Schutzfunktion für das PSII vor kontinuierlichem Hochlichtstress diskutiert (Quenchen).
In der Gesamtbetrachtung ist das Konzept der linearen Elektronentransportkette mit der Anordnung der einzelnen Komponenten (PSII > cyt-b6f > PSI > ATP-Synthase) in direkter räumlicher Nähe somit nur eine eher unzureichende Darstellung. Vielmehr befinden sich die einzelnen Komponenten teilweise in großer Entfernung voneinander, sind aber funktional über die „Pools der mobilen Elektronencarrier (Plastoquinon, Plastocyanin etc.) miteinander verbunden.
Thema 3: Redoxsysteme der Fotosynthese
Ergänzende Fachinformationen
An den lichtabhängigen Reaktionen der Fotosynthese sind zwei Fotosysteme beteiligt. Dies begründet sich daraus, dass die absorbierte Lichtenergie an nur einem Fotosystem nicht ausreicht, um Wasser-Moleküle zu oxidieren und gleichzeitig NADP+-Ion...

Friedrich+ Chemie

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 165 / 2018

Chemie in biologischen Kontexten

Friedrich+ Kennzeichnung Praxis Schuljahr 10-13