Chloroplasten – Bau und Funktion (Expertenwissen)

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Grundlagen zum Thema Chloroplasten – Bau und Funktion (Expertenwissen)
Chloroplasten – Bau und Funktion
Chloroplasten und Fotosynthese gehören zusammen. Bei der Fotosynthese wird Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt, organische Stoffe wie Glucose gebildet und Sauerstoff freigesetzt. All das wäre ohne unsere grünen Pflanzen mit ihren Chloroplasten und dem grünen Farbstoff Chlorophyll nicht denkbar.
In diesem Text erklären wir dir Bau und Funktion des Chloroplasten als essenziellen Baustein im Prozess der Fotosynthese.
Chloroplasten – Definition und Vorkommen
Chloroplasten sind Zellorganellen, die in den Zellen grüner Pflanzenteile, Algen und einigen Protisten vorkommen. Das in ihnen enthaltene Chlorophyll absorbiert hauptsächlich blaues und rotes Licht, sodass sie durch die Reflexion des restlichen Lichts grün erscheinen. Zudem sind sie für die Durchführung der Fotosynthese in Pflanzenzellen verantwortlich. Chloroplasten gehören zu den Plastiden und sind kugel- oder linsenförmig aufgebaut. Plastiden sind Zellorganellen innerhalb der Zelle. Als vollständige Zellorganelle besitzen sie eine eigene DNA und Ribosomen.
Aufbau der Chloroplasten
Chloroplasten sind von einer Doppelmembran umgeben, deren Zwischenraum Intermembranraum genannt wird. Die innere Membran ist mehrfach gefaltet und bildet Lamellen, sogenannte Thylakoide (Stromalamellen). Die stapelartigen Strukturen aus mehreren Thylakoiden werden Grana (Einzahl: Granum) genannt. In den Thylakoidstapeln bzw. Grana sind der größte Teil des Chlorophylls und auch andere Pigmente (Farbstoffe) wie Carotinoide eingelagert. Die Flüssigkeit, die den Chloroplasten innerhalb der zwei Membranen als Grundsubstanz ausfüllt, wird Stroma oder Matrix genannt. Im Stroma der Zellorganelle sind außerdem Stärkekörner und Ribosomen zu finden. Zusätzlich enthält der Chloroplast noch die eigene, ringförmige DNA und kleine, freie Fetttröpfchen.
Funktion der Chloroplasten
Chloroplasten sind der Ort der Fotosynthese, wichtig dafür sind insbesondere das Stroma und das Chlorophyll der Zellorganelle.
In die aus einer Lipiddoppelschicht bestehende Thylakoidmembran sind neben Eiweißmolekülen auch die Pigmente (Farbstoffe) Chlorophyll und Carotin eingelagert. Die Ansammlung von Proteinen und Pigmentmolekülen in der Thylakoidmembran von Chloroplasten wird auch als Fotosystem bezeichnet. Die Farbstoffmoleküle absorbieren das Sonnenlicht, sodass mithilfe der daraus gewonnenen Energie aus Wasser und Kohlenstoffdioxid Traubenzucker als organische Substanz und Sauerstoff entstehen kann. Die Summenformel dazu findest du hier:
$\ce{6 CO2 + 6 H2O -> C6H12O6 und 6 O2}$
Das Stroma, das selbst kein Chlorophyll enthält, dient als Ort verschiedener Stoffwechselvorgänge, bei denen Stärke und Fette synthetisiert werden. In Form von Fetttröpfchen, sogenannten Plastoglobuli, und Stärkekörnern können die Stoffe dann gelagert werden. Die ringförmige Plastiden-DNA im Stroma codiert die Herstellung bestimmter Eiweiße. Durch ihr eigenes Erbgut können sich Chloroplasten auch unabhängig vom Zellzyklus vermehren. Ihre Reproduktion wird jedoch mit dem Zellzyklus koordiniert und ihre Funktion stark von der Wirtszelle beeinflusst und reguliert.
Chloroplasten – Zusammenfassung
Chloroplasten sind spezialisierte Zellorganellen, die in allen Zellen grüner Pflanzenteile vorkommen. Sie sind nicht nur in Pflanzen, sondern auch in Algen und einigen Protisten zu finden. Innerhalb der Chloroplasten gibt es zwei Hauptkompartimente: die Thylakoidmembran und das Stroma. Die Thylakoidmembran spielt eine entscheidende Rolle bei der Fotosynthese. Hier befinden sich das Chlorophyll und andere eingelagerte Proteinkomplexe, die in der Lage sind, Sonnenlicht zu absorbieren und es in chemische Energie umzuwandeln – ein Prozess, der als Lichtreaktion der Fotosynthese bekannt ist. Das Stroma hingegen beherbergt Stärkekörner, Fetttröpfchen, DNA und Ribosomen, in denen wichtige Stoffwechselprozesse stattfinden.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Chloroplasten – Bau und Funktion
Chloroplasten – Bau und Funktion (Expertenwissen) Übung
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Beschreibe den Aufbau der Chloroplasten.
TippsDie Thylakoidstapel erinnern in ihrem Aufbau an Geldrollen.
Im Stroma laufen viele Stoffwechselvorgänge ab.
LösungDer Chloroplast besteht aus zwei Membranen, einer äußeren und einer inneren. Mit dieser Doppelmembran liegt er im Zytoplasma der Zelle. Die innere Membran ist vielfach eingestülpt und bildet Membranzisternen, sogenannte Thylakoide. Liegen solche Thylakoide übereinander, nennt man diesen Thylakoidstapel auch Granum (Plural: Grana). Das Membransystem liegt im Stroma (=Matrix). Im Stroma liegen DNA, Ribosom, Lipidtröpfchen und Stärkekorn.
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Bestimme die Reaktionsgleichung der Fotosynthese.
TippsDie Zellatmung verläuft genau umgekehrt wie die Fotosynthese.
LösungDie Pflanze benötigt sechs Moleküle Wasser und sechs Moleküle Kohlenstoffdioxid sowie Licht zur Fotosynthese. Daraus entstehen in einem chemischen Prozess sechs Sauerstoffmoleküle und Glucose. Glucose (= Traubenzucker) benötigt die Pflanze für Synthesen von Fetten und Eiweißstoffen. Den Sauerstoff braucht sie nicht, daher gibt sie ihn die Atmosphäre ab. Gut für uns, denn ohne diesen Sauerstoff könnten wir nicht auf der Erde leben.
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Erkläre die Bedeutung der Fotosynthese für Organismen.
TippsBei der Fotosynthese wird Lichtenergie zum Aufbau energiereicher organischer Stoffe aus energiearmen anorganischen Stoffen genutzt.
LösungBei der Fotosynthese wird mithilfe des Sonnenlichts Glucose hergestellt. Somit ist die Fotosynthese ein Aufbauprozess (Assimilation). Die Glucose wird von vielen Pflanzen in Stärke umgewandelt, da diese schwer löslich und osmotisch wenig wirksam ist. Die Fotosynthese ist einer der wichtigsten Prozesse auf der Erde, da als „Abfallprodukt“ Sauerstoff entsteht. Ebenso bedeutsam ist die Fixierung des Kohlenstoffdioxids aus der Atmopshäre.
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Entscheide, welche Strukturen die Endosymbiontentheorie bestätigen.
TippsChloroplasten und Mitochondrien können sich selbstständig durch Teilung vermehren.
LösungAls Endosymbiose wird eine Form der Symbiose bezeichnet, bei der der Symbiont innerhalb des Wirtsorganimus lebt. Bei der Endosymbiontentheorie geht man davon aus, dass große organellfreie Prokaryoten bakterienähnliche Organismen aufnahmen und diese nicht verdauten.
Für diese Theorie spricht:
die Doppelmembran; Vorläufer der Chloroplasten und Mitochondrien gelangen durch Phagocytose in die Wirtszelle. Daraus ergibt sich, dass sie von zwei Membranen umgeben sind. Die Äußere ist die der Wirtszelle, die Innere ist die der Prokaryoten.
Die beiden Organellen besitzen ihre eigene DNA und Ribosomen.
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Definiere die Funktion der Chloroplasten.
TippsChlorophyll wird auch als Blattgrün bezeichnet.
LösungChloroplasten liegen im Zytoplasma der Zellen und sind die Organellen der Fotosynthese. Ihre Thylakoidmembran besteht aus einer Lipiddoppelschicht. In dieser sind Eiweißmoleküle und Farbstoffmoleküle eingelagert. Zu den Farbstoffmolekülen zählen das grüne Chlorophyll und das gelbrote Carotin. Durch die zahlreichen Einstülpungen der inneren Chloroplastenmembran wird die Fläche, auf der fotosynthetisch aktive Pigmente zu finden sind, stark vergrößert. Der Bereich des Stromas ist eine fast farb- und strukturlose Grundsubstanz. Das Stroma enthält Enzyme und Substrate, die für die Dunkelreaktion der Fotosynthese notwendig sind. Außerdem liegen im Stroma Lipidtröpfchen, Stärkekorn sowie DNA und Ribosome.
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Überlege, welche Aussagen zum Chlorophyll a passen.
TippsAm Chlorophyll a bindet eine Methylgruppe.
Am Chlorophyll b bindet eine Aldehygruppe.
LösungChlorophyll a ist das eigentliche Fotosynthese-Pigment, es bildet das Reaktionszentrum. Die blauen und roten Wellenlängen werden von ihm absorbiert.
Chlorophyll b dient neben den Carotinoiden der Lichtsammlung, es ist nicht direkt an der Energieumwandlung beteiligt. Das Absorptionsspektrum und die Strukturformel ähneln dem Chlorophyll a.

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