Unterrichtsgang: Teilreaktionen der Fotosynthese

Vorbemerkungen

In der vorgeschlagenen Doppelstunde werden die SuS zunächst in Einzelarbeit mit der Erarbeitung eines detailreichen und komplexen Vorgangs anhand eines Fachtextes konfrontiert. Bei der Bearbeitung von Thema 1 (Fotoreaktion) erfolgt die Übertragung der Prozesse auf die räumlichen Gegebenheiten des Chloroplasten mit Hilfe von Teilabbildungen (Figurinen). So erschließt sich für die SuS die Notwendigkeit der Kompartimentierung zur ATP-Synthese. Gleichzeitig wird das Erstellen einer schematischen biologischen Abbildung zu Abläufen an der Zellmembran eingeübt. Bei der Bearbeitung von Thema 2 (Synthesereaktion) wird der möglichst einfach gehaltene Fachtext in ein Schema dieses zyklischen Prozesses überführt. Gestufte Hilfen sollen von den SuS benutzt werden.

Bei den Texten zur Erarbeitung der Foto- bzw. Synthesereaktion wurde bewusst auf den Verweis auf wichtige historische Experimente zur Erforschung der Fotosynthese verzichtet. Die SuS sollen so zunächst fokussiert auf den Inhalt möglichst den Ablauf als solches verstehen. Eine Auseinandersetzung mit den historischen Experimenten erfolgt je nach individueller Geschwindigkeit des Lernenden als vertiefendes Element und ermöglicht über die bereitgestellten Materialien mit Lösungsvorschlägen zu den enthaltenen Aufgaben eine intensive Aufarbeitung. Auch chemische Hintergründe werden bereit gehalten. Sie basieren auf inhaltsbezogene Kompetenzen Chemie 8-10 gemäß Bildungsplan 2016. So wird durch den Bezug zu Chemie die prozessbezogene Kompetenz „Bewerten“ gefördert (PBK 2.3.2).

Sachanalyse und didaktische Reduktion

Durch Lichtabsorption im Fotosystem II (P680) werden Elektronen der Chlorophyllmoleküle angeregt, d.h. auf ein höheres Energieniveau gebracht. Über membrangebundene Proteine werden sie zum Fotosystem I (P700) transportiert (Elektronentransportkette), wo sie die ebenfalls durch Lichtabsorption entstandene Elektronenlücke schließen. Die am Fotosystem II zurückbleibende Elektronenlücke wird durch Elektronen aus der Spaltung von Wassermolekülen durch einen angelagerten Enzymkomplex (Wasserspaltungskomplex) geschlossen (Fotolyse des Wassers). Dabei werden Sauerstoffmoleküle und Protonen gebildet. Letztere reichern sich im Thylakoidinnenraum (Lumen) an, wodurch dort der pH-Wert sinkt. Es entsteht ein Protonen-Konzentrationsgradient zwischen Lumen und Stroma. Dieser wird durch das Einschleusen weiterer Protonen über ein Membranprotein der Elektronentransportkette (nicht-zyklischer Elektronentransport über Plastochinon) und unter bestimmten Umständen auch in der zweiten Elektronentransportkette zur NADP+-Reduktase (zyklischer Elektronentransport) noch verstärkt. Dieses Enzym wiederum katalysiert die Übertragung der angeregten Elektronen aus dem Fotosystem I auf Nicotinamidadenindinukleotidphosphat in seiner oxidierten Form (NADP+). Diese Reduktion findet an der dem Stroma zugewandten Seite der Thylakoidmembran statt. Ein Proton aus dem Stroma wird dabei an NADP+ gebunden, ein zweites ist daran assoziiert. Auch dieses Senken der Protonenkonzentration im Stroma trägt zum Aufbau des Konzentrationsgradienten der Protonen bei. Das Ausströmen von Protonen entlang dieses Gradienten durch ein Kanalprotein wird durch das daran assoziierte Enzym ATP-Synthase zur Bildung von ATP genutzt (chemiosmotischer Mechanismus der ATP-Synthese).

Der Einfluss des zyklischen und nicht-zyklischen Elektronentransports auf die Höhe des Protonen-Konzentrationsgradienten und somit auf den Umfang der ATP-Synthese ist stöchiometrisch nicht genau quantifizierbar. Im Sinne einer didaktischen Reduktion wird auf die Beschreibung und Darstellung dieser Formen des Protonentransports über die Thylakoidmembran verzichtet. Die Angabe von „e-“ in den Teilabbildungen ist als „Elektronen“ zu lesen und meint nicht exakt ein Elektron. Die Anzahl gebildeter ATP-Moleküle ist mit „mindestens“ drei je zwei gespalteter Wassermoleküle vorgegeben. Gleichzeitig werden zwei Moleküle Nicotinamidadenindinukleotidphosphat in der reduzierten Form (NADPH+H+) gebildet und ein Sauerstoffmolekül abgegeben. Durch diese Angaben lässt sich für den Teilprozess der Fotoreaktion („Lichtreaktion“, lichtabhängige Reaktion oder auch Primärreaktion) eine Reaktionsgleichung/ein Reaktionsschema erstellen. Eine Quantifizierung des Reduktionsvermögens am Wasserspaltungskomplex und verbreitete Darstellung der Elektronentransportketten nach diesem Redoxpotential („Z-Schema“), ist ohne vertiefte Kenntnis der Elektrochemie für SuS zu Beginn der Kursstufe nicht nachvollziehbar und für das Verständnis des biochemischen Vorgangs nicht notwendig.

Die Synthesereaktion („Dunkelreaktion“, lichtunabhängige Reaktion oder Sekundärreaktion) umfasst im Wesentlichen den Calvin-Zyklus. Auch hier ist der Vorgang auf dem Schülerarbeitsblatt so beschrieben, dass die SuS zwar mit einem anspruchsvollen Fachtext arbeiten müssen, diesen jedoch mit ihrem Wissen über Redoxreaktionen nachvollziehen können sollten. Dazu sind mit Phosphoglycerinsäure (PGS) und Phosphoglycerinaldehyd (PGA) nur die Moleküle benannt, die für das Nachvollziehen der Reduktion notwendig sind. (An welcher Stelle im Molekül jeweils die Phosphogruppe liegt und die Säure in wässriger Lösung eher als Säurerestion vorliegt („3-Phosphoglycerat“), wird im Material nicht berücksichtigt.) Zudem wird dieser Vorgang in Material 6 (in der Datei 20406_mat_historische_experimente enthalten) als chemischer Hintergrund an den Strukturformeln mit Oxidationszahlen erläutert. Sollten die SuS das Konzept der Oxidationszahlen nicht kennen, wird durch das Umwälzen weiterer Definitionsmöglichkeiten des Redox-Begriffs sichergestellt, dass der Vorgang eine Reduktion darstellt. Dass dies einer energetischen Aufwertung gleichkommt und so verständlich wird, wie aus dem energiearmen Kohlenstoffdioxid eine energiereiche Verbindung wie Glucose aufgebaut werden kann, kann den SuS dadurch in der Besprechung nochmals klar gemacht werden, dass eine Verbrennung immer eine Oxidation, also die Umkehrung der Reduktion ist.

Zur Erleichterung von Bearbeitung und Verständnis ist die zyklische Reaktionsabfolge in Phasen untergliedert (CO2-Fixierung/Carboxylierung, Reduktion und Regeneration) und liegen gestufte Hilfen zur schematischen Darstellung des Calvin-Zyklus vor.

Didaktisch-methodische Schwerpunkte

Kommunikation

Die SuS setzen sich mit biologischen Fachtexten auseinander und vertiefen ihre Kompetenz, diese komplexen biologischen Sachverhalte darzustellen (PBK 2.2.7). Durch den anschließenden Austausch der Lernpartner über ihr jeweiliges Expertenthema zu den erarbeiteten Inhalten der Fotoreaktion und Synthesereaktion wird diese Kommunikationskompetenz weiter vertieft.

Erkenntnisgewinnung

Die Bearbeiter des Themas „Fotoreaktion“ sind aufgefordert, den Vorgang mit vorgegebenen Teilabbildungen bildlich darzustellen. Somit entwickeln sie für den chemiosmotischen Mechanismus der ATP-Synthese ein Modell, das sie und später ihren Lernpartner erheblich beim Verständnis unterstützt (PBK 2.1.12).

Sozialformen

Die gewählte methodische Vorgehensweise ergibt durch das Zusammenführen der erarbeiteten Inhalte ein Ergebnis, das als Lernziel wichtige Standards zum Thema Stoffwechselprozesse abdeckt (IBK 3.5.1.3 (1) und (2), jeweils für die Fotosynthese). Die Reaktionsgleichungen der Teilprozesse werden bilanziert, so dass sich die Reaktionsgleichung der Fotosynthese ergibt. Die Notwendigkeit der Kompartimentierung der Chloroplasten wird anhand des entwickelten Modells (s.o.) nachvollziehbar.

Vertiefung

Die historischen Experimente erlauben eine vertiefte Behandlung des Themas und dienen gleichzeitig der zeitlichen Differenzierung für schnell arbeitende SuS. Ihre ausführliche Besprechung kann von der Lehrkraft je nach gewünschter Durchdringungstiefe und angesetzten Zeitumfang angeschlossen werden.

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