Die Lichtreaktion der Fotosynthese
Eine interaktive Flash-Folie veranschaulicht die Lichtreaktion der Fotosynthese. Die Animation kann das Unterrichtsgespräch unterstützen (Beamer-Präsentation) oder als Grundlage für eine selbstständige Erarbeitung dienen (Einzel- oder Partnerarbeit im Computerraum).Die Fotosynthese ist einer der bedeutungsvollsten biologischen Prozesse auf der Erde. Grüne Pflanzen wandeln Lichtenergie in chemische Energie um und speichern sie in Form energiereicher Moleküle. Diese werden dann in weiteren Stoffwechselprozessen als Energielieferanten für die Synthese von Kohlenhydraten aus den energiearmen Stoffen Kohlenstoffdioxid und Wasser verwendet. In diesem Prozess wird der für viele Lebewesen notwendige molekulare Sauerstoff gebildet. Die Fotosynthese gliedert sich somit in eine Lichtreaktion (Absorption von Lichtenergie, deren chemische Fixierung und Sauerstoffbildung) und in die lichtunabhängige Dunkelreaktion (Synthese von Glukose aus Kohlenstoffdioxid und Wasser).Die Lernenden nutzen die Flash-Animation im Computerraum der Schule in Einzel- oder Partnerarbeit oder auch am heimischen Rechner (Hausaufgabe, Wiederholung). Ihre Ergebnisse können sie den Mitschülerinnen und Mitschülern im Rahmen eines kleinen Vortrags vorstellen. Den Ablauf der Lichtreaktion beschreiben sie dabei mithilfe der per Beamer projizierten Animation. Alternativ zur Nutzung der Animation im Computerraum kann sie nach einem zunächst "computerfreien" Unterricht der Lehrkraft auch dazu dienen, die Lichtreaktion zusammenzufassen und das Unterrichtsgespräch im Fachraum zu unterstützen. Inhalte und Funktionen der Animation Die Teilschritte der Lichtreaktion werden visualisiert. Arbeitsaufträge und Hintergrundinformationen ermöglichen eine selbstständige Erarbeitung des Themas. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Teilreaktionen der Lichtreaktion mithilfe der Animation kennenlernen und protokollieren. die an der Reaktion beteiligten Biomoleküle und ihre Lokalisierung - innerhalb oder außerhalb der Thylakoidmembran - kennenlernen. Zusammenhänge formulieren (Kopplung der Fotosysteme) und eine Gesamtbilanz der Reaktion aufstellen. Thema Die Lichtreaktion der Fotosynthese Autor Dr. Ralf-Peter Schmitz Fach Biologie Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 1-2 Stunden für die selbstständige Erarbeitung (Einzel- oder Partnerarbeit); flexibel beim Einsatz zur Unterstützung des Unterrichtsgesprächs Technische Voraussetzungen Präsentationsrechner mit Beamer und/oder Computerarbeitsplätze in ausreichender Anzahl (Einzel- oder Partnerarbeit), Flash-Player (ab Version 8, kostenloser Download) Aufbau der Fotosysteme In der Animation wird die Lichtreaktion schematisch stark vereinfacht dargestellt. Inhaltlich werden die Aufnahme von Lichtenergie (Absorption), die Umwandlung in chemische Energie und stoffliche Veränderungen (Oxidation, Reduktion) veranschaulicht. Der Ort der Lichtreaktion ist die Thylakoidmembran in den Chloroplasten. Dort befinden sich die Fotosysteme mit den beiden Hauptakteuren Chlorophyll und ?-Carotin. In der Starteinstellung der Animation erscheinen die Fotosysteme als grüne homogene Gebilde. Per Klick auf den Begriff "klick" in den Fotosystemen wird deren molekularer Aufbau visualisiert (Fotosystem II in Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken). Durch Anklicken des [i]-Buttons erscheinen in einem neuen Fenster weitere Informationen zum Aufbau des jeweiligen Fotosystems (hier nicht per Screenshot dargestellt). Neben den Fotosystemen werden die weiteren an der Lichtreaktion beteiligten Komponenten innerhalb und außerhalb der Thylakoidmembran dargestellt (Plastochinon, Ferredoxin, Ferredoxin-NADP + -Reduktase, Plastocyanin, Cytochrom b 6 f). Animation der Lichtreaktion Nach dem Start der Animation (Abspielleiste unten links) werden angeregte Komponenten des Reaktionszentrums farblich hervorgehoben und die Entstehung und der Transfer geladener Teilchen visualisiert (siehe Abb. 1). Die Animation zeigt, wie die beiden Fotosysteme in einem mit Lichtenergie angetriebenen Elektronentransport vom Wasser zum NADP + zusammenarbeiten. Das Ergebnis dieses Vorgangs ist Bildung der energiereichen Substanz NADPH+H + . Am Fotosystem II wird aus Wasser molekularer Sauerstoff freigesetzt, der aus den Chloroplasten und Zellen herausdiffundiert. Bildung von ATP Über den rechten unteren Schieberegler kann der Membranausschnitt verschoben werden. Dabei rückt die ATP-Synthase in den Blickpunkt (Abb. 2). Die ATP-Bildung wird an der Thylakoidmembran von der ATP-Synthase geleistet. Die enzymatische Verknüpfung von ADP und P i zu ATP wird durch den Ausgleich des Protonengradienten zwischen Außen- und Innenseite der Thylakoidmembran angetrieben. Der Aufbau des Protonengradienten wird in Verbindung mit den Vorgängen der Elektronentransportkette aufgebaut. Materialien zur Erarbeitung von Aufbau und Struktur der ATP-Synthase werden in der Unterrichtseinheit ATP-Synthase ? Synthese von Energieäquivalenten vorgestellt. Arbeitsaufträge und Bildlegende Per Klick auf den "F"-Button erscheint ein Fenster mit den Fragen beziehungsweise Aufgabenstellungen für die Schülerinnen und Schüler (Abb. 3, Platzhalter bitte anklicken). Begriffe, Symbole und die Funktionen ("FU") der Biomoleküle werden in der Bildlegende (Abb. 4) erläutert, die über den "Leg"-Button aufgerufen wird. Ausführliche Informationen Weitere Informationen finden die Lernenden und unter "Info" (Abb. 5). Mit deren Hilfe können sie die Vorgänge in den Fotosystemen, die energetische Kopplung beider Fotosysteme, die Fotolyse des Wassers, die Sauerstoffbildung sowie die Bildung von NADPH und ATP im Gesamtzusammenhang selbstständig erarbeiten.