Abitur Bayern Biologie 2025 · LK · Cyanobakterien

Cyanobakterien als Fotosynthesespezialisten

Cyanobakterien, die weltweit in verschiedenen Gewässern und im Boden vorkommen, sind Bakterien, die zur Fotosynthese fähig sind. Neben vielen Gemeinsamkeiten weist die Fotosynthese der Cyanobakterien im Vergleich zur Fotosynthese grüner Pflanzen auch einige für Forschende interessante Unterschiede auf. In verschiedenen Forschungsansätzen wird versucht, diese Besonderheiten für grüne Pflanzen nutzbar zu machen.

1

Fertigen Sie eine beschriftete Skizze des elektronenmikroskopisch erkennbaren Aufbaus eines Chloroplasten an. [5 BE]

Erläutern Sie am Beispiel der Thylakoide in Chloroplasten von Pflanzen den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion anhand von zwei Aspekten. [4 BE]

2

Material 1: Rubisco bei Tabakpflanzen und Cyanobakterien

Das Enzym Rubisco bindet im Calvin-Zyklus Kohlenstoffdioxid und überträgt es auf den Akzeptor Ribulose-1,5-bisphosphat. In einem Experiment wurden Cyanobakterien und Tabakpflanzen unter Sauerstoffausschluss verschiedenen $\mathrm{CO_2}$-Konzentrationen ausgesetzt und die Geschwindigkeit der Kohlenstoffdioxidfixierung durch die jeweilige Rubisco gemessen (Abb. 1).

Vergleichen Sie die beiden Kurven in Abbildung 1 und leiten Sie Unterschiede hinsichtlich der Enzymaktivität der beiden Rubiscos ab (M 1). [8 BE]

3

Material 2: Besonderheiten der lichtunabhängigen Reaktion der Fotosynthese bei Cyanobakterien

Cyanobakterien besitzen keine Chloroplasten, dennoch betreiben sie wie grüne Pflanzen Fotosynthese. Im Zellinneren der Cyanobakterien befinden sich dafür u. a. spezielle Kompartimente, die sogenannten Carboxysomen. Diese sind durch eine Proteinhülle, die nicht für alle Stoffe permeabel ist, vom Cytoplasma abgegrenzt. Carboxysomen enthalten die Enzyme Rubisco und Carboanhydrase (Abb. 2).

Material 3: Carboxylase- und Oxygenase-Aktivität der Rubisco

Das Enzym Rubisco kann in allen fotosynthesebetreibenden Organismen sowohl als Carboxylase als auch als Oxygenase arbeiten. Die Aktivität als Carboxylase oder Oxygenase ist abhängig von der intrazellulären $\mathrm{CO_2}$- und $\mathrm{O_2}$-Konzentration. Ist Rubisco als Carboxylase aktiv, überträgt sie im Calvin-Zyklus Kohlenstoffdioxid auf den Akzeptor Ribulose-1,5-bisphosphat. Als Oxygenase überträgt sie alternativ Sauerstoff auf Ribulose-1,5-bisphosphat. Bei diesem als Fotorespiration bezeichneten Vorgang wird im Gegensatz zum Calvin-Zyklus keine Glukose gebildet. Die Fotorespiration vermindert die Effizienz der Fotosynthese.

In einem Experiment wurden Tabakpflanzen unterschiedlichen Konzentrationen an Kohlenstoffdioxid ausgesetzt und dabei die Carboxylase-Aktivität und Oxygenase-Aktivität der Rubisco gemessen. Eine intrazelluläre $\mathrm{CO_2}$-Konzentration von $6\ \mathrm{\mu mol/L}$ entspricht dem Anteil an Kohlenstoffdioxid in der Luft von ca. $0{,}039\ \%$.

Tabelle 1: Einfluss unterschiedlicher $\mathrm{CO_2}$-Konzentrationen auf die Rubisco-Aktivität

Intrazelluläre $\mathrm{CO_2}$-Konzentration in $\mathrm{\mu mol/L}$

Verhältnis der Carboxylase- zur Oxygenase-Aktivität

6

$68: 32$

18

$89: 11$

60

$98: 2$

Beschreiben Sie die in Material 2 dargestellten Vorgänge der Kohlenstoffdioxidfixierung bei Cyanobakterien.

Erläutern Sie, wie es dadurch zu einer größeren Effizienz der Fotosynthese von Cyanobakterien bei höheren $\mathrm{CO_2}$-Konzentrationen kommt. (M 2, M 3). [14 BE]

4

Material 4: Wachstum genetisch veränderter Tabakpflanzen

In einem Experiment wurde versucht, bestimmte Eigenschaften von Cyanobakterien auf Tabakpflanzen zu übertragen. Hierzu schaltete man in Ansatz A die spezifische Rubisco der Tabakpflanze genetisch aus. Danach wurden Gene der Cyanobakterien in die Chloroplasten der Tabakpflanzen übertragen, die die Information zur Ausbildung der spezifischen Rubisco der Cyanobakterien codieren. Im Ansatz B wurden weitere Gene der Cyanobakterien auf die Tabakpflanze übertragen, die für die $\mathrm{CO_2}$-Fixierung notwendige Genprodukte exprimieren. Die Konzentration an Kohlenstoffdioxid ($0{,}039\ \%$) und Sauerstoff ($21\ \%$) außerhalb der Pflanze wurde bei allen Ansätzen konstant gehalten. Tabelle 2 zeigt die Versuchsansätze, mit denen das Wachstum der genetisch veränderten Tabakpflanzen experimentell untersucht wurde.

Stellen Sie eine Hypothese über das relative Pflanzenwachstum in den Versuchsansätzen A, B und dem Kontrollansatz (Tabelle 2) im Vergleich zueinander auf (M 1, M 2, M 4). [9 BE]