Aufgabe: Cyanobakterien als Fotosynthesespezialis… · Abitur NRW Biologie LK · Cyanobakterien 2025

1. Fertigen Sie eine beschriftete Skizze des elektronenmikroskopisch erkennbaren Aufbaus eines Chloroplasten an.

Lösung: Skizze des elektronenmikroskopischen Chloroplastenaufbaus mit folgenden Beschriftungen: - Doppelmembran (äußere und innere Membran) - Stroma- und Granathylakoide - Stroma - DNA (Plastiden-DNA) - Ribosomen - Stärkekorn

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

Lösung: - Oberflächenvergrößerung: Die Oberfläche der inneren Membran ist durch die Thylakoidbildung um ein Vielfaches vergrößert. Dadurch kann eine große Anzahl fotosynthetischer Pigmente eingelagert werden, was die Absorptionsfläche für Licht erhöht und die Lichtausbeute für die Fotosynthese optimiert. - Kompartimentierung: Die Ausbildung von Thylakoiden ermöglicht die räumliche Abgrenzung des Thylakoidinnenraums (Lumen) vom Stroma. Dadurch wird der Aufbau eines Protonengradienten (Chemiosmose) ermöglicht und Primär- sowie Sekundärreaktion der Fotosynthese können im Chloroplasten parallel zueinander ablaufen.

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

Lösung: Vergleich der Kurven: - Die Anzahl der durch Rubisco übertragenen $\mathrm{CO_2}$-Moleküle pro Sekunde steigt bei beiden Rubisco-Varianten mit zunehmender intrazellulärer Konzentration an $\mathrm{CO_2}$ an. - Bis zu einer intrazellulären $\mathrm{CO_2}$-Konzentration von ca. $40\ \mathrm{\mu mol/L}$ ist die Anzahl der durch Rubisco pro Sekunde übertragenen $\mathrm{CO_2}$-Moleküle bei Tabakpflanzen höher als bei Cyanobakterien. - Bei $\mathrm{CO_2}$-Konzentrationen höher als $40\ \mathrm{\mu mol/L}$ ist die Anzahl der durch Rubisco übertragenen $\mathrm{CO_2}$-Moleküle bei Tabakpflanzen geringer als bei Cyanobakterien. - Bei Konzentrationen unter $40\ \mathrm{\mu mol/L}$ ist die Geschwindigkeit der $\mathrm{CO_2}$-Fixierung durch die Rubisco der Tabakpflanzen höher; sie erreicht ab ca. $75\ \mathrm{\mu mol/L}$ eine Sättigung (Geschwindigkeit stagniert bei ca. 3 Molekülen $\mathrm{CO_2}$ pro Sekunde). - Bei Konzentrationen über $40\ \mathrm{\mu mol/L}$ ist die Geschwindigkeit der $\mathrm{CO_2}$-Fixierung durch die Rubisco der Cyanobakterien höher und steigt weiter an, da die maximale Geschwindigkeit noch nicht erreicht ist. Ableitung zur Enzymaktivität: - Die Enzymaktivität (Affinität/Umsatz) der Rubisco der Tabakpflanze ist bei geringer intrazellulärer $\mathrm{CO_2}$-Konzentration deutlich höher als die der Rubisco der Cyanobakterien. - Die Enzymaktivität der Rubisco der Tabakpflanze erreicht bereits bei geringerer intrazellulärer $\mathrm{CO_2}$-Konzentration ihr Maximum/Sättigung. - Die Rubisco der Cyanobakterien ist bei hoher intrazellulärer $\mathrm{CO_2}$-Konzentration aktiver bzw. besitzt eine deutlich höhere Maximalgeschwindigkeit als die der Tabakpflanzen.

3. 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 CO2-Konzentrationen kommt. (M 2, M 3).

Lösung: Beschreibung der Vorgänge (M 2): - Vorhandensein von Carboxysomen zur Anreicherung von $\mathrm{CO_2}$ für den Calvin-Zyklus. - Anreicherung von Hydrogencarbonat-Ionen ($\mathrm{HCO_3^-}$) im Cytoplasma durch aktiven Transport (unter ATP-Verbrauch) aus der Umgebung. - Aufbau eines Konzentrationsgefälles an $\mathrm{HCO_3^-}$ zwischen Cytoplasma und Carboxysomen führt zur Diffusion von $\mathrm{HCO_3^-}$ durch die selektiv permeable Proteinhülle in die Carboxysomen. - In den Carboxysomen katalysiert das Enzym Carboanhydrase die Umwandlung von $\mathrm{HCO_3^-}$ in $\mathrm{CO_2}$. - Da die Proteinhülle des Carboxysoms für $\mathrm{CO_2}$ nicht permeabel ist (keine Diffusion nach außen), reichert sich $\mathrm{CO_2}$ im Inneren massiv an. Erläuterung der größeren Effizienz (M 2, M 3): - Rubisco besitzt bifunktionelle Eigenschaften: Als Carboxylase führt sie zur Glukosebildung im Calvin-Zyklus; als Oxygenase bindet sie $\mathrm{O_2}$ (Fotorespiration), wodurch keine Glukose entsteht und Energie verloren geht. - Das Verhältnis von Carboxylase- zu Oxygenase-Aktivität verschiebt sich mit steigender $\mathrm{CO_2}$-Konzentration zugunsten der Carboxylase-Reaktion (Tabelle 1: von $68:32$ bei $6\ \mathrm{\mu mol/L}$ auf $98:2$ bei $60\ \mathrm{\mu mol/L}$). - Durch den Anreicherungsmechanismus im Carboxysom herrscht an der Rubisco eine extrem hohe lokale $\mathrm{CO_2}$-Konzentration, wodurch die Fotorespiration fast vollständig unterdrückt wird. - Fazit: Die Anpassung führt durch hohe intrazelluläre $\mathrm{CO_2}$-Konzentration zu einer schnelleren Übertragung von $\mathrm{CO_2}$ auf Ribulose-1,5-bisphosphat, einem gesteigerten Ablauf des Calvin-Zyklus und somit zu mehr Glukosebildung und gesteigerter Fotosyntheseeffizienz.

4. 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).

Lösung: Ansatz A: - Hypothese: In Ansatz A ist theoretisch ein geringeres Pflanzenwachstum als beim Kontrollansatz und als bei Ansatz B zu erwarten. - Begründung: Die Rubisco der Cyanobakterien weist bei geringer intrazellulärer $\mathrm{CO_2}$-Konzentration (im Stroma liegt nur $6\ \mathrm{\mu mol/L}$ vor, entsprechend normaler Luft) eine deutlich geringere Aktivität auf als die pflanzliche Rubisco (Abb. 1). Zudem ist bei $6\ \mathrm{\mu mol/L}$ die Oxygenase-Aktivität hoch ($32\ \%$ Fotorespiration). Da in Ansatz A der restliche $\mathrm{CO_2}$-Anreicherungsmechanismus fehlt, verläuft der Calvin-Zyklus ineffizienter $\rightarrow$ geringere Glukosebildung $\rightarrow$ reduziertes Wachstum. Ansatz B: - Hypothese: Bei Ansatz B ist theoretisch ein stärkeres Wachstum der Tabakpflanze im Vergleich zu den anderen Ansätzen (Kontrolle und Ansatz A) zu erwarten. - Begründung: Durch die Expression der Proteine für Carboxysomen und die Hydrogencarbonat-Transporter ist der vollständige cyanobakterielle $\mathrm{CO_2}$-Fixierungsmechanismus etabliert. Dadurch steigt die $\mathrm{CO_2}$-Konzentration im Carboxysom auf ca. $60\ \mathrm{\mu mol/L}$. Bei dieser Konzentration arbeitet die Cyanobakterien-Rubisco mit wesentlich höherer Geschwindigkeit als die Tabak-Rubisco (Abb. 1), und die Fotorespiration wird fast vollständig unterdrückt ($98\ \%$ Carboxylase-Aktivität, Tabelle 1). Dies führt zu einer stark gesteigerten Glukoseproduktion und damit zu maximalem Pflanzenwachstum.