Vorlesung zum Modul „Pflanzenphysiologie und Biochemie“


Abschnitt 1 (Paulsen): Grundlagen der Physiologie

Inhalt in Konzepten

Wasser

  • Pflanzen brauchen Wasser zum Leben.
  • Wasser wird hauptsächlich über die Wurzeln aufgenommen.
  • Das Wasserpotential gibt die Richtung an für den Wasserfluss.
  • Wasser wird über Gefäße des Xylems zu den Blättern transportiert.
  • Transpiration geschieht hauptsächlich über die Spaltöffnungen.
  • Transpirationssog, Wurzeldruck und Kapillarkräfte treiben Wassertransport

Membranen

  • Membranen enthalten Phospho- und Glykolipide.
  • Proteine sind in der Membran lateral beweglich.
  • Membrangebunde Kohlenhydrate sind für die Zell-Zell-Erkennung wichtig.

Diffusion, Osmose

  • Gelöste Stoffe diffundieren entlang einem Konzentrationsgefälle.
  • Aquaporine ermöglichen die Diffusion von Wasser durch Membranen.
  • Osmose setzt eine semipermeable Membran und Konzentrationsunterschiede voraus.
  • Die osmotische Zustandsgleichung gibt die Richtung osmotischer Wasserdiffusion an.
  • Der osmotisch erzeugte Zell-Turgor gibt Pflanzenzellen ihre Gestalt.

Membrantransport

  • Poren, Kanal- und Transport-Proteine ermöglichen die Diffusion durch Membranen.
  • Aktiver Transport entgegen einem Konzentrationsgefälle erfordert Energie.
  • Sekundär-aktiver Transport wird durch Sym- oder Antiport ermöglicht.
  • Durch Endo- oder Exocytose können größere Partikel die Membran passieren.

Transpiration und Transport

  • Osmotisch erzeugter Wurzeldruck ist für den Xylemtransport mitverantwortlich.
  • CO2-Aufnahme und Wasserverlust werden beide durch Stellung der Stomata reguliert.
  • Die Spaltöffnung wird durch Turgorbewegung der Schließzellen verändert.
  • Die Stellung der Spalte wird unter anderem durch Umweltfaktoren reguliert.
  • Der Xylemtransport liefert Wasser für den Assimilattransport im Phloem.

Mineralstoffe

  • Bei der Düngung wird der Boden mit Mineralstoffen angereichert.
  • Makro- und Mikro-Elemente werden in größerer bzw. kleinerer Menge benötigt.
  • Mangelerscheinungen zeigen Unterversorgung mit essentiellen Mineralstoffen an.
  • Die meisten Mineralstoffe werden durch (sekundär-)aktiven Transport aufgenommen.
  • Durch Ansäuerung des Bodens im Wurzelraum werden Kationen mobilisiert.
  • Mineralstoffe werden bis zum Caspary-Streifen apo- oder symplastisch transportiert.
  • Das Xylem transportiert Mineralstoffe von der Wurzel zu anderen Pflanzenorganen.

Stickstoff-Stoffwechsel

  • Mineralischer Stickstoff ist häufig wachstumsbegrenzend.
  • Nur mithilfe stickstofffixierende Bakterien können Pflanzen Luftstickstoff nutzen.
  • Nitrat wird über Nitrit zu Ammonium reduziert.
  • Giftiges Ammonium wird durch die Glutamin-Synthetase in Aminosäuren gebunden.
  • Transaminasen übertragen Stickstoff von Aminosäuren auf α-Ketosäuren.

Proteine

  • Pflanzliche Proteinbiosynthese erfolgt in 3 Kompartimenten.
  • Aminosäuren werden über eine Peptidbindung miteinander verknüpft.
  • Die Proteinstruktur kann auf 4 Ebenen beschrieben werden.
  • Proteinstrukturen werden in verschiedenen Modellen dargestellt.
  • Enzyme wirken als Katalysatoren.
  • Die Michaelis-Menten-Kinetik beschreibt spezifische Enzymeigenschaften.
  • Die Enzymaktivität ist pH- und temperaturabhängig.
  • Enzyme werden durch andere Moleküle reguliert.
  • Pflanzensamen enthalten häufig Speicherproteine.

Kohlenhydrate

  • Glucose als wichtiges Monosaccharid ist reduzierend und optisch aktiv.
  • Kohlenhydrate werden hauptsächlich als Stärke gespeichert.
  • Cellulose ist das häufigste Kohlenhydrat auf der Erde.
  • Das Disaccharid Saccharose ist eine wichtige Transportform der Kohlenhydrate.

Lipide

  • Alle Phospho- und Glykolipide enthalten Glycerin und Fettsäuren.
  • Fette bestehen aus Glycerin mit 3 Fettsäuren.
  • Wachse bestehen aus einer Fettsäure und einem langkettigen Alkohol.
  • Fettsäuren werden in Plastiden synthetisiert.

Lignin

  • Lignin stabilisiert die Sekundärwand der Zellwände.
  • Lignin ist der Hauptbestandteil von Holz.
  • Grundbaustein des Lignins ist ein Phenolderivat.

Sekundärmetabolite oder Naturstoffe

  • Sekundärmetabolite dienen häufig als Lockstoffe oder der Pathogenabwehr.
  • Hauptgruppen der Sekundärmetabolite sind Alkaloide, Terpenoide und Phenole.
  • Cyanogene Glykoside und Senfölglykoside sind wirksame Abwehrstoffe.

Abschnitt 2 (Paulsen): Photosynthese und Atmung

Inhalt in Konzepten

Grundlagen der Photosynthese

  • Photosynthese ist die Umkehrung der Verbrennung.
  • Photosynthese bildet unsere Lebensgrundlage.
  • Die Photosynthese treibt globale Zyklen und lokale Stoffströme an.
  • Die Photosynthese ist aufgeteilt in lichtabhängige und lichtunabhängige Reaktionen.

Photosynthese findet in Chloroplasten statt

  • Die Plastiden stellen eine Familie von Organellen dar.
  • Nur ein Teil der Plastidenproteine sind auf dem Plastom kodiert.
  • Plastiden sind durch primäre und sekundäre Endocytobiose entstanden.

Lichtabhängige Reaktion

  • Pigmente in U-förmiger Anordnung betreiben photosynthetische Ladungstrennung.
  • elektronisch angeregtes Chlorophyll wird zu einem Elektronen-Donator.
  • Redoxreaktionen sind Elektronen-Austausch-Reaktionen.
  • Im Mangankomplex werden Elektronen aus Wasser extrahiert.
  • In einer Elektronentransportkette werden Elektronen auf NADP+ übertragen.
  • Mit der Hill-Reaktion misst man die lichtabhängige Photosynthesereaktion.
  • Die Elektronentransportkette treibt ATP-Synthese an.
  • ATP kann auch durch zyklischen Elektronentransport erzeugt werden.
  • Lichtsammelkomplexe erhöhen die Effizienz der Photosynthese.
  • Carotinoide entschärfen potentiell gefährliche Formen von Chlorophyll und O2.
  • Der Xanthophyllzyklus schaltet von Lichtsammlung auf Energiedissipation um.
  • „State Transitions“ regulieren den Energiefluss durch PSII und PSI.
  • Die Mehler-Reaktion ist ein Notventil bei Elektronenrückstau.

Lichtunabhängige Reaktion

  • Im Calvin-Zyklus wird CO2 in Zucker eingebaut.
  • Die wichtigste Speicherform für Kohlenhydrate ist Stärke.
  • Die Stärke- und Saccharosesynthese müssen ausbalanciert werden.
  • Die Photorespiration ist eine energieverschwendende, aber nützliche Seitenreaktion.
  • C4- und CAM-Stoffwechsel vermeiden die Photorespiration.

Weitere Photosyntheseleistungen

  • Die Nitrat-Assimilation ist eine Photosyntheseleistung.
  • Reduktionsäquivalente können aus dem Chloroplasten exportiert werden.
  • Der oxidative Pentosephosphatweg erzeugt Reduktionsäquivalente in Leukoplasten.
  • Die Fettsäurebiosynthese findet in Chloroplasten statt.

Begrenzende Faktoren der Photosynthese

  • Alle Messmethoden zur Photosynthese weisen Limitierungen auf.
  • Am Licht- und CO2- Kompensationspunkt ist die Netto-Biosynthese gleich Null.

Andere Photosynthese-Systeme

  • Purpurbakterien besitzen ein Photosystem vom PSII-Typ.
  • Grüne Schwefelbakterien besitzen ein Photosystem vom PSI-Typ.
  • Alle existierenden Reaktionszentren weisen eine ähnliche Struktur auf.
  • Bei Lichtsammelsystemen existiert große Vielfalt.

Oxidative Dissimilation, Atmung

  • Atmung ist die Umkehrung der Photosynthese.
  • Stärke muss vor der Veratmung mobilisiert werden.
  • Die Zellatmung besteht aus einer Reihe von zentralen Stoffwechselwegen.
  • Citratzyklus und Atmungskette sind in Mitochondrien lokalisiert.
  • Die Pyruvat-Dehydrogenase erzeugt Acetyl-CoA für den Citratzyklus.
  • Im Citratzyklus wird die Acetylgruppe in Acetyl-CoA zu CO2 abgebaut.
  • In der β-Oxidation werden Fettsäuren zu Acetyl-CoA abgebaut.
  • Der Citratzyklus ist eine zentrale Drehscheibe im Stoffwechsel.
  • Der Glyoxylatzyklus ermöglicht Pflanzen die Zuckersynthese aus Fettsäuren.
  • In der Atumungskette werden Elektronen von NADH + H+ auf O2 übertragen.
  • Die Atmungskette wird durch Kopplung mit der ATP-Synthese reguliert.
  • In der alternativen Atmung können Pflanzen statt ATP Wärme erzeugen.