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Biologie Ökologie (Fach) / Ökosystemphysiologie (Lektion)

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• Was ist ein Redoxsystem? Beschreiben Sie ein Redoxsystem. Eine Redoxreaktion, bei der ein Stoff (Reduktionsmittel) entweder durch Reaktion mit Sauerstoff, Entzug von Wasserstoff oder Entzug von Elektronen oxidiert wird und ein anderer (Oxidationsmittel) durch Reaktion mit Wasserstoff, Entzug von Sauerstoff oder Zufuhr von Elektronen reduziert wird.
• Worauf bezieht sich das Redoxpotential eines Redoxsystems? Das Redoxpotential beschreibt die Potentialdifferenz zwischen einem Halbelement und dem international standardisierten Bezugselement, der Normal-Wasserstoffelektrode. Das Bezugselement besteht aus einer Platinelektrode, welche bei 25 °C von Wasserstoffgas mit einem Druck von 1013 hPa umspült wird und in eine Salzsäurelösung der Stoffmengen-Konzentration 1 mol/l (das bedeutet, dass pH 0 vorliegt) taucht. Die Spannung, welche entsteht, wenn das gewählte Halbelement mit dem Bezugshalbelement verbunden wird, bezeichnet man als das Standardpotential des gewählten Halbelements. Die Kenntnis des Redoxpotentials ist wichtig um vorherzusagen, welcher Reaktionspartner oxidiert und welcher reduziert. Dies wird über eine Standardelektrode bestimmt.  -> Elektronen fließen immer vom niedrigeren zum höheren Potential
• Welches System hat das Redoxpotential E0’ = 0? H2 ←→ 2H+ +2e- Wasserstoff spaltet sich entweder in 2 Protonen und 2 Elektronen, oder 2 Protonen und 2 e reagieren zu Wasserstoff.
• Wozu werden die Elektronen aus dem NADH auf Sauerstoff übertragen? Schreiben Sie die Teilreaktionen der einzelnen Redoxreaktionen auf. Zweck ist es Protonen in den Intermembranraum zu transportieren. Das Ganze geschieht über vier Enzymkomplexe, die nacheinander Elektronen weitergeben und dadurch den Protonengradienten aufbauen. Wäre das nicht der Fall, käme es zur klassischen Knallgasreaktion und die unkontrolliert frei gewordene Energie könnte nicht zur ATP-Synthese genutzt werden.
• Welches Vorzeichen hat der G Wert einer exergonischen Reaktion? Ein negatives minus vorzeichen, z.B Delta-G= -220 Kj/mol.
• Welche Redoxsysteme sind in der inneren Mitochondrienmembran frei beweglich? Wieviel Elektronen werden von diesen transportiert? Ubichinon (2e) und Cytochrom c (1e)
• Für welche Ionen ist die innere Mitochondrien Membran impermeable? H+
• Was versteht man unter Atmungskette? Benennen Sie die vier beteiligten Enzymkomplexe, die in der Membran verankert sind. Welche Redoxsysteme sind frei beweglich? Enzymkomplex, l,II, QH, lll, Cyt-c, lV frei beweglich: Ubichinon-Pool, Chytochrom c
• An welchem Komplex der Atmungskette (Elektronentransportkette) entsteht der Sauerstoff? IV  ½ O wird erst durch Elektronenaufnahme zu O und schließlich zu H2O ????
• An welchem Komplex der Atmungskette wird das NADH aus dem Zitratzyklus oxidiert? Kompley I
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• Wie verhält sich ein Redoxsystem mit negativem Redoxpotential gegenüber einem Redoxsystem mit positivem Redoxpotential? Es gibt Elektronen an das mit positiven Redoxpotential ab -> Elektronen fließen immer vom niedrigeren zum höheren Potential
• Welche Funktion übernimmt der Sauerstoff während der oxidativen Phosphorylierung? An welchem Komplex der Elektronentransportkette wird Sauerstoff reduziert? Die oxidative Phosphorylierung ist eine Redoxreaktion. Sauerstoff dient dabei letztendlich als Elektronenakzeptor. Die Elektronen werden bei Komplex IV auf O2. Zusammen mit zwei H+ Protonen entsteht Wasser.
• Stellen sie eine Energiebilanz für ein Glucosemoleküls von Beginn der Aktivierung bis hin zur oxidativen Phosphorylierung auf. Wie viele Moleküle ATP können gebildet werden? Pro NADH+H+ der Glykolyse  => 6 Protonen in Intermembranraum (Da von außen kommt und so Komplex I keine Protonen pumpt; 4 H bei Komplex III und 2 H bei Komplex IV) Pro andere NADH+H+  => 9 Protonen in Intermembranraum (3 bei I, 4 bei III und 2 bei IV) Pro FADH2 => 6 Protonen in Intermembranraum (Da FADH2 Elektronen bei II abgibt und hier keinen Protonen gepumpt werden) Für 3 Protonen in Intermembranraum → 1 ATP synthetisiert  => 36 Moleküle ATP pro Glucose
• Beschreiben Sie die Funktionsweise der ATPase. Wie sieht dieses Enzym aus. Können Sie es schematisch zeichnen? Wird mechanisch angetrieben (Protonengradient) Unten F0 Faktor (in Membran): Fuß verankert ATPase in Membran, Haken fixiert Köpfchen, Oben F1 Faktor (bildet Köpfchen und ist in Matrix hier findet ATP synthese statt)
• Beschreiben Sie die chemiosmotische Hypothese. Über innere Mitochondrienmembran wird chemisches Potential und elektrisches Potential aufgebaut (Gradient von Konzentration und Ladung). Es entsteht die protonenmotorische Kraft (chemiosmotisches Potential) Membran muss geschlossenes Kompartiment sein. Protonentransport muss richtung Intermembranraum laufen. Membran muss relativ impermeabel sein.
• Beschreiben sie den Begriff ‚proton motiv force’! Gleichung, Berechnung. Skizzieren sie das Model für die ‚proton motiv force’ über die innere Mitochondrien Membran. Welche Kräfte sind an der ‚proton motive force’ beteiligt? Bezeichnung für die an einer biologischen Membran anliegende elektrochemische Potentialdifferenz für Protonen. Das heißt durch Aufbauen eines Protonengradienten entsteht ein chemisches, sowie ein  elektrisches Potential. Beide zusammen ergeben die Protonenmotorische Kraft. 
• Was versteht man unter Energiekopplung? Im stoffwechsel werden exergonische Reaktionen benutzt, um endergonische anzutreiben.
• Warum sind in biologischen Systemen energonische mit exergonischen Reaktionen verknüpft? Kommt es dabei zum Energieverlust? endergone Reaktionen benötigen Energie zufuhr, um ablaufen zu können. Diese Energie wird von exergonischen Reaktionen bereit gestellt
• Nennen sie die zwei Enzyme der Glykolyse über die diese reguliert wird. Wie werden diese beiden Enzyme reguliert? Warum ist es Sinnvoll gerade diese beiden Enzyme zu regulieren? Phosphofructokinase (Aktivierung durch Fructose-6-P und ADP, AMP, P; Hemmung durch ATP) Pyruvatkinase (Aktivierung durch ADP, ADP, P; Hemmung durch ATP)
• 1. Nennen Sie die zentralen Prozesse der Licht- und Dunkelreaktion der Photosynthese Lichtreaktion: Absorption von Licht; Bildung von NADPH & ATP; H2O verbrauch, Sauerstoff Produkt Dunkelreaktion: Calvinzyklus; Bildung von Glucose
• Wo finden die Licht- und Dunkel-Reaktionen statt? Lichtreaktion:Im Chlorophyll, das in den Thylakoiden in den Chloroplasten eingelagert ist. Dunkelreaktion: Im Stroma (Plasmatische grunsubstanz) des Chloroplasten
• Welche Prozesse werden durch Temperaturerhöhung beeinflusst? Die Dunkelreaktion, da sie enzymatisch angetrieben wird. Hierbei beschreibt die Temperaturabhängige Photosyntheseleistung eine Optimunskurve, deren Höhepunkt bei(je nach Pflanze) 20-30°C liegt
• Wie reagieren Stomata auf Trockenheit? Stoma: „Atemöffnungen“ der Pflanzen, die Gasaustausch mit der Atmosphäre ermöglichen. (Achtung: Stoma/Stroma verwechslungsgefahr!!) Durch Wasserverlust schrumpfen die Zellen, die die Stomata bilden. Dadurch liegen die Zellwände aneinander und die Stomata schließen. Dadurch kein Gasaustausch,, also auch keine CO2- Aufnahme mehr möglich!!
• Wie reagieren Stomata auf Trockenheit? Stoma: „Atemöffnungen“ der Pflanzen, die Gasaustausch mit der Atmosphäre ermöglichen. (Achtung: Stoma/Stroma verwechslungsgefahr!!) Durch Wasserverlust schrumpfen die Zellen, die die Stomata bilden. Dadurch liegen die Zellwände aneinander und die Stomata schließen. Dadurch kein Gasaustausch,, also auch keine CO2- Aufnahme mehr möglich!!
• Beschreiben sie die Lichtabhängigkeit der Photosynthese (Lichtkurve) Die Photosynthese kann nur stattfinden, wenn Licht vorhanden ist. Die Nettophotosynthese ist im Dunkelzustand negativ, da die Pflanze zum leben Zucker veratmen muss, also C „verliert“. Ab einer gewissen Lichtintensität ist der Lichtkompensationspunkt erreicht, an dem gleich viel ENergie gespeicht wird, wie veratmet wird. Die Photosyntheseleistung steigt linear zur Photonenkonzentration an. Der Winkel der Kurve gibt die Lichtnutzungseffizienz an (steiler-> effizienter). Ab einem gewissen Punkt ist die maximale Photosyntheseaktivität erreicht (limitiert durch CO2-Verfügbarkeit oder Stoffwechselgeschwindigkeit). Deswegen beschreibt die Lichtkurve eine Sättigungskurve. (Unterschiedliche Kurven bei Schatten- Licht- und C4-Lichtpflanzen.)
• Beschreiben sie die CO2- Abhängigkeit der Photosynthese Die CO2-abhängigkeitskurve beschreibt eine Sättigungskurve. Es gibt einen CO2- Kompensationspunkt (vergl.Lichtkomensatiospunkt). Linearer Anstieg der Photosyntheseleistung bei erhöhter CO2-Konzentration. Maximale Leistung bei ca 1000ppm CO2. (Vergl. aktuell in der Atmosphäre ca 444ppm). Da CO2 benötigt wird, um die dunkelreaktion durchzuführen, ist CO2 essentiell. C3-Pflanzen können höhere CO2-Konzentrationen effektiv verwerten als C4-Pflanzen. Dafür ist der CO2-Kompensationspunkt bei C4-Pflanze schneller erreicht und sie kommen mit Trockenstress besser zurecht. C4-Pflanzen sind z.B. Mais, Hirse. Überwiegen im ariden Klima. C3-Pflanzen: fast alle in unseren Breiten vorkommende Pflanzen. Überlegen im humiden Klima.
• Beschreiben sie Temperaturabhängigkeit der Photosynthese Die Dunkelreaktion der Photosynthese ist enzymatisch angetrieben und ist deswegen temperaturabhängig. Da Enzyme bei kalten Temperaturen nicht funktionieren undbei zu hohen Temperaturen denaturieren (kaputt gehen) und nicht mehr arbeiten beschreibt die Temperaturabhängigkeitskurve eine Optimumskurve, deren Höhepunkt je nach Pflanze bei ca 20- 30°C liegt.

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