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Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 1 Titel Pflanzenphysiologie Thomas Boller Sommersemester 2010 Montag, 8 – 10 www.plantbiology.unibas.ch/teaching/pflanzenphysiologie/index.htm.

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1 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 1 Titel Pflanzenphysiologie Thomas Boller Sommersemester 2010 Montag, 8 – 10 Dass ich erkenne, was die Welt Im innersten zusammenhält, Schau alle Wirkungskraft und Samen...

2 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 2 Internet: Teaching Feldstudien 2009: Events der Woche

3 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 3 Frage der Woche: Aquaporin in Pflanzen Wieso platzen unbehandelte Oocyten nicht, und wieso platzen die behandelten Oocyten? Frage der Woche: Aquaporin Skript, p. 24 Wie passt das zur Theorie der Osmose und der semipermeablen Membranen?

4 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 4 Expression von mRNA in Xenopus-Oocyten Expression von mRNA in Xenopus-Oocyten (1) Skript, p. 24 Lebenszyklus von Xenopus

5 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 5 Expression von mRNA in Xenopus-Oocyten Expression von mRNA in Xenopus-Oocyten (2) Skript, p. 24 Entnahme von Oocyten Herstellung einer mRNA in vitro Mikro- Injektion Analyse der elektrophysiologischen Eigenschaften des Plasmalemmas "Patch Clamp" "Whole Cell"

6 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) Pflanzen leben von Licht und Luft Titel 3: Pflanzen leben von Luft und Licht Und wie du das Herz Der Pflanzen erfreust, Wenn sie entgegen dir Die zarten Arme strecken, So hast du mein Herz erfreut, Vater Helios! Friedrich Hölderlin ( ) (aus "Als ich ein Knabe war...")

7 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 7 Feinbau des Chloroplasten - I Einstülpungen der innern Membran = Thylakoide Feinbau des Chloroplasten - I + Ribosomen Skript, p. 27 Zwei Membran-Hüllen: Zeichen für Endosymbiose

8 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 8 Feinbau des Chloroplasten - II pH < 5 Thylakoid-Innenraum pH = 8 Stroma Feinbau des Chloroplasten - II ph-Gradient: "Proton motive force" eigentlich ATP-Synthase! Skript, p. 27

9 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 9 Differenzierung von Plastiden Skript, p. 27

10 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 10 Differenzierung von Etioplasten / Chloroplasten Differenzierung von Plastiden Skript, p. 27 gelb gefärbtgrün gefärbtwenige Stunden!

11 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 11 Chloroplast im Elektronenmikroskop Feinbau des Chloroplasten - III 1 m = mm Tonoplast Plasmalemma Doppelte Chloroplastenhülle Transitorische Stärke Skript, p. 28

12 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 12 Funktionelle Bereiche der Photosynthese Lichtabsorption (h = Lichtquant) "Aktivierung" von Chlorophyll Eneriereiche Verbindungen Spaltung von Wasser Funktionelle Bereiche der Photosynthese Skript, p. 28 "Photochemie" "Lichtreaktion" Assimilation von Kohlendioxid "Dunkelreaktion"

13 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 13 Photosynthese-Pigmente Skript, p. 28 Ringsystem mit konjugierten Doppelbindungen Magnesium wird via die vier N- Atome chelatiert Hydrophober "Schwanz" Lange Ketten von konjugierten Doppelbindungen

14 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 14 Licht = elektromagnetische Strahlung Licht = Elektromagnetische Strahlung Skript, p. 29 "PAR" = photosynthetically active radiation

15 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 15 Bruttoformel der Photosynthese Wasserspaltung O 2 Assimilation von CO 2 Bruttoformel Photosynthese Skript, p. 29

16 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 16 Photosynthetische Antennen: Lichtsammler-Komplexe Energiegefälle Sammel-Falle: Chlorophyll mit der niedrigsten Aktivierungsenergie im Reaktionszentrum! Photosynthetische Antennen Skript, p. 29 "Light Harvesting Complexes" (LHC-II, LHC-I) bringen Energie zum Reaktionszentrum PAR ( nm) energiereichenergiearm

17 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 17 Elektronentransport: Z-Schema Nichtzyklischer Elektronentransport: ATP und NADPH Photosystem I Elektronentransport: Z-Schema Photosystem II: Wasserspaltung Skript, p. 29 Redox-Energie Zyklischer Elektronentransport: ATP ATP

18 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 18 Die universale Energie-Währung: ATP ATP Synthase ATPase Adenosinmonophosphat (AMP) ATP Adenosindiphosphat (ADP) Adenosintriphosphat (ATP) nicht im Skript

19 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 19 Die universalen Elektronendonoren: NADH und NADPH Reduzierte Form, energiereich = Reduktionsmittel Zwei Elektronen (H, Reduktions- äquivalente) Oxidierte Form: energiearmer Zustand NADH und NADPH nicht im Skript

20 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 20 Strukturmodell der Thylakoidmembran Strukturmodell der Thylakoid-Membran Skript, p. 30

21 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 21 Strukturmodell der Thylakoidmembran Strukturmodell der Thylakoid-Membran Skript, p. 30 Gesamt-Effekt des nichtzyklischen Elektronentransports: pH-Gradient Pro zwei Elektronen wird ein energiereiches NADPH + H + gebildet! Pro Elektron werden zwei Protonen vom "Stroma" ins "Lumen" befördert!

22 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 22 Strukturmodell der Thylakoidmembran Strukturmodell der Thylakoid-Membran Skript, p. 30 pH-Gradient Gesamt-Effekt des zyklischen Elektronentransports: Pro Elektron wird ein Proton vom "Stroma" ins "Lumen" befördert!

23 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 23 Ausnützung des Protonengradienten durch die "ATPase" Strukturmodell der Thylakoid-Membran Skript, p. 30 Die "Proton-Motive Force" (PMF) wird zur Synthese von ATP ausgenützt pH-Gradient Die "ATPase" der Chloroplasten wirkt in der Natur als "ATP-Synthase"

24 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 24 Der ATP-Synthase (ATPase) der Thylakoide "Kopf" = CF1 "Stiel" = CF0 ATP Synthase Skript, p. 30 pH-Gradient (Proton-motive force, "PMF") H+H+ H+H+ pH = 8 pH = 5 ATPADP + P i

25 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 25 Herkunft der Bausteine der Thylakoidmembran Rot: im Chloroplasten-Genom codiert Blaugrau: Im Kern-Genom codiert Herkunft der Bausteine der Thylakoidmembran nicht im Skript

26 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 26 Dunkelreaktion: Calvin-Zyklus Assimilation von CO2! Akzeptor =RuBP Reduktion von Glycerat-3-phosphat Regeneration des Akzeptors: aus 5 x C3 >>> 3 X C5 Produkte der Lichtreaktion Schema Calvin-Cyclus Skript, p. 31 Rubisco - das wichtigste Enzym der Welt Erstes Produkt: Glycerat-3-Phosphat

27 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 27 RuBisCo – das wichtigste Enzym der Welt 3-Phospho- glycerin- säure Engl: 3-PGA "Normalfall": Verarbeitung von CO 2 Photosynthese "Spezialfall": Verarbeitung von O 2 Photorespiration Rubisco Skript, p. 31 Ribulose-1,5- bisphosphat

28 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 28 Reduktion von 3-PGA unter Einsatz von ATP und NADPH Reduktion mit NADPH Reduktion von 3-PGA Aktivierung durch Phosphorylierung Skript, p. 32 Glyceratphosphat- Kinase Glycerinaldehydphosphat- Dehydrogenase

29 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 29 Was passiert mit den Photosynthese-Produkten? Im Chloroplasten: Stärke-Synthese Im Cytoplasma: Saccharose- Synthese Was passiert mit den Photosynthese-Produkten? Skript, p. 32 Im Chloroplasten: Lipid-Synthese Export von Triose-Phosphat: Triosephosphat-Translocator Export von Triose-Phosphat: Triosephosphat-Translocator Photorespiration: Export von Glycolat Neu: Export von Maltose

30 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 30 C4-Pflanzen: "Kranz"-Struktur C3 C4 Kranz-Struktur Skript, p. 33

31 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 31 C4-Pflanzen: Dimorphismus der Chloroplasten Mesophyll: Grana dominieren Bündelscheide: Stroma dominiert Dimorphismus der Chloroplasten Skript, p. 33

32 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 32 C3- und C4-Pflanzen: Kurzzeit-Markierung mit 14 C-CO 2 C4: Kurzzeit-Markierung Nach 2 sec: 90 % der Radioaktivität in Glycerat-3-Phosphat (C3)! Nach 4 sec: 85 % der Radioaktivität in Malat/Aspartat (C4)! Skript, p. 34

33 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 33 C4-Metabolismus: Kooperation von Zellen Fixation von CO 2 (genauer: HCO 3 - ) Räumliche Trennung von Fixation und Assimilation Assimilation von CO 2 Malat-Dehydrogenase PEP-Carboxylase Malat-Enzym Pyruvat-Phosphat-Dikinase C4: Räumliche Trennung von Fixation und Assimilation Skript, p. 34 Wieder-Freisetzung von CO 2

34 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 34 CAM: Crassulacean Acid Metabolism C3 CAM CAM-Pflanzen im Tageslauf Skript, p. 35 Tagesperiodischer Verlauf des Gaswechsels: Vergleich C3 - CAM

35 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 35 Fixation von CO 2 (genauer: HCO 3 - ) Assimilation von CO 2 Wieder-Freisetzung von CO 2 Malat-Dehydrogenase PEP-Carboxylase Malat-Enzym CAM: Zeitliche Trennung von Fixation und Assimilation Skript, p. 35 CAM: Crassulacean Acid Metabolism Zeitliche Trennung von Fixation und Assimilation

36 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 36 Konvergente Evolution bei CAM-Pflanzen Gymnocalycium asterias, eine Kaktee aus Mittelamerika Euphorbia gymnocalycoides, eine 1982 entdeckte Euphorbiacee aus Äthiopien Konvergente Evolution Skript, p. 36

37 Pflanzenphysiologie 03 (22. März 2010) - 37 Frage der Woche: Wasserpflanzen als CAM-Pflanzen? Überraschenderweise gibt es auch CAM- Pflanzen, die im Wasser leben, z.B. Ver- schiedene Arten aus der Gattung der Brachsenkräuter, Isoëtes (aus der ur- tümlichen Klasse der Bärlappgewächse, Lycopodiopsida). In der Schweiz kommt Isoëtes lacustris als höchst seltene Pflanze in einigen Bergseen im Gott- hardgebiet und im Oberwallis vor. Frage der Woche: Was könnte der Grund dafür sein, dass sich diese Pflanzen physiologisch wie Kakteen verhalten? Isoëtes lacustris, eine Unterwasser- CAM-Pflanze CAM-Wasserpflanzen Skript, p. 36


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