by Stefanie on 19/08/2015 | Anbau

Photosynthese: Die Dunkelphase

Photosynthese In dieser Dunkelphase vereint sich das Ribulose-Biphosphat mit dem gasförmigen Kohlendioxid, (CO2), das in der Luft anwesend ist. Das Ergebnis sind organische Zusammensetzungen


An dieser Stelle wollen wir mit der Miniserie über die Photosynthese fortfahren. In der vorigen Ausgabe haben wir die Grundbegriffe dieses Prozesses erläutert und die Lichtphase näher erklärt. Ich werde die Grundbegriffe der Lichtphase kurz wiederholen für diejenigen, die das Kapitel nicht lesen konnten und um uns die Grundlagen wieder ins Gedächtnis zu rufen.

Infografik, die das Wachstum einer Cannabispflanze während der Dunkelphase der Photosynthese darstellt, und zwar im Zusammenhang mit der Lichtenergie, der Sauerstoffproduktion und der Kohlendioxidabsorption, der Speicherung von Zucker oder Stärke, der Wasserverdunstung und der Aufnahme von Sauerstoff und Mineralstoffen über die Wurzeln.

In dieser Phase vollzieht sich aufgrund der Lichteinstrahlung eine Anzahl biochemischer Prozesse in den Blättern der Pflanze. Die Lichtenergie wird von Strukturen, den sogenannten Photosystemen, eingefangen. Nach der Teilung der Wassermoleküle wird die freigesetzte Energie benutzt, um zwei Basismoleküle des pflanzlichen Stoffwechsels zu synthetisieren: das ATP und das NADP. Die Bildung des ATP nennt man Photophosphorylierung, sie kann sich auf zwei unterschiedliche Weisen vollziehen, die zyklische und die azyklische. Diese Lichtphase ist notwendig für die darauffolgende Dunkelphase, die kein Licht benötigt, um sich zu vollziehen. Sie realisiert sich im Inneren der Chloroplaste und steht in direktem Zusammenhang zu den Produkten, die in der ersten Phase entstanden sind.

In dieser Dunkelphase vereint sich das Ribulose-Biphosphat mit dem gasförmigen Kohlendioxid, (CO2), das in der Luft anwesend ist. Das Ergebnis sind organische Zusammensetzungen, in erster Linie Kohlenhydrate oder Zucker, deren Moleküle Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthalten. Diese Umwandlungskette nennt man Calvin-Zyklus.

Der erste Schritt der Dunkelphase ist die Fixierung des Kohlenstoffs, die bei unterschiedlichen Pflanzenarten auf verschiedene Weise stattfinden kann. Auf physiologischer Ebene wird Cannabis als Pflanze des Typs C3 eingestuft, da er die Kohlendioxidmoleküle in Dreiergruppen einsetzt. Andere Pflanzengattungen benutzen sie in Vierergruppen, wie beispielsweise die Pflanzen der Typen CAM und C4, denen wir allerdings in diesem Artikel keine weitere Beachtung schenken. Die beiden weiteren Schritte der Dunkelphase der Photosynthese sind die Reduktion und die Regenerierung. Wir wollen alle Schritte jetzt näher betrachten.

Fixierung: Das erste Enzym, das im Calvin-Zyklus eine Rolle spielt, ist das Schüsselenzym RuBisCo, das drei atmosphärische CO2- Atome an drei Einheiten Ribulose-Biphosphat bindet. Das Produkt dieser Verbindung sind sechs 3-Phosphoglycerat-Moleküle.

Reduzierung: Das vorherige Molekül wird durch die Aktion der sechs Einheiten ATP (die in der Lichtphase entstanden sind) in 1,3 Bisphosphoglycerat umgewandelt. Diese Verbindung wird ihrerseits durch die Aktion der sechs Einheiten NADPH in G3P umgesetzt. Eines der beiden G3P-Moleküle durchläuft den Stoffwechselvorgang der Pflanze, um höhere Verbindungen wie Glucose oder Stärke hervorzubringen. Diesen Vorgang erläutern wir an späterer Stelle.

Regeneration: Schließlich führt die Fixierung von Phosphat anhand von 3 ATP zur Generierung eines neuen Ribulose-1,5-biphosphat-Moleküls, das den Prozess erneut in Gang setzt. Weitere Details in der nachfolgenden schematischen Darstellung:

Diagramm, das die Dunkelphase des Calvin-Zyklus darstellt. Kohlendioxid, Phosphoglycerat, Diphosphoglycerat, anorganischer Phosphor, Glycerinaldehydphosphat, Phosphat, Glukose, Glycerinaldehydphosphat, Ribulosephosphat, Ribulosediphosphat, CO2-Fixierung durch das RuBisCO-Enzym. Ein Teil des Glycerinaldehydphosphats verbleibt im Zyklus, während ein anderer Teil ihn verlässt und in Zucker umgewandelt wird.
Diagramm, das die Dunkelphase des Calvin-Zyklus darstellt. Kohlendioxid, Phosphoglycerat, Diphosphoglycerat, anorganischer Phosphor, Glycerinaldehydphosphat, Phosphat, Glukose, Glycerinaldehydphosphat, Ribulosephosphat, Ribulosediphosphat, CO2-Fixierung durch das RuBisCO-Enzym. Ein Teil des Glycerinaldehydphosphats verbleibt im Zyklus, während ein anderer Teil ihn verlässt und in Zucker umgewandelt wird.

Nach der Bildung von Glucose realisiert sich eine Reihe chemischer Reaktionen, aus denen Stärke und verschiedene Kohlenhydrate entstehen. Aus diesen Produkten stellt die Pflanze Lipide und Proteine her, die für die Bildung von Pflanzengewebe erforderlich sind. Die produzierte Stärke vermischt sich beispielsweise mit dem Wasser, das in den Blättern enthalten ist und von winzigen Kanülen im Stängel der Pflanze aufgenommen wird. Auf diesem Wege wird es dann in die Wurzel transportiert und dort gespeichert. Diese Stärke wird gebraucht, um Zellulose zu produzieren, den Grundbestandteil von Holz. Diese Prozesse sind allerdings wesentlich komplizierter, deswegen sollen sie hier nicht näher behandelt werden. Fahren wir also mit einem weiteren Schritt des Prozesses fort.

Die Photorespiration

Die Photorespiration ist ein Prozess, der sich bei Anwesenheit von Licht und hoher Sauerstoffkonzentration in der Mesophylie des Blattes vollzieht. Es handelt sich quasi um einen „Fehler“ im Calvin-Zyklus, da die Fixierung des Kohlenstoffs aus energetischem Gesichtspunkt der Pflanze den größten Gewinn einbringt. Die Ursache liegt darin, dass Pflanzen sich in einem Umfeld entwickelt haben, in dem die atmosphärische Kohlendioxidkonzentration höher war als heutzutage und die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Photorespiration vollziehen würde, als äußert gering eingestuft werden konnte. Die jetzige Atmosphäre beinhaltet weniger Kohlendioxid. Wenn Cannabis also in mit Kohlenstoff angereicherter Atmosphäre angepflanzt wird, erhöht sich der Ertrag und die Blütezeit verkürzt sich. Da zwischen molekularem Sauerstoff (O2) und CO2 eine geringere Konkurrenz besteht, realisiert sich die Photorespiration weniger häufig und der Stoffwechsel der Pflanze vollzieht sich auf effektivere Weise.

Die günstigste Temperatur für die Fixierung des Kohlenstoffs im Hinblick auf die Photorespiration, liegt bei 24-25 ºC. Aus diesem Grund sollte man den Raum für die Aufzucht immer auf diese Temperatur heizen. Wenn man Kohlendioxid hinzufügt, steigt die Idealtemperatur bis auf ca. 28 ºC.

Der Photorespirationsprozess bewahrt durchschnittlich 3/4 der Kohlenhydrate im RuBP auf, das mit dem Sauerstoff reagiert. Der Wettkampf zwischen dem CO2 und dem O2 durch das Enzym RUbisCO erklärt die starke Hemmung der Photosynthese bei C3-Pflanzen in einem Umfeld mit niedriger CO2-Konzentration und die Zunahme der Photosynthese bei niedrigen Sauerstoffniveaus. Hinsichtlich der Produktivität ist die Photorespiration ein Prozess, der die CO2 –Fixierung und das Wachstum der Pflanzen reduziert. Allerdings ist mittlerweile bekannt, dass der Photorespirationsprozess wichtig ist, um den Energieüberschuss (ATP und NADPH2)abzugeben, der bei einem hohen Strahlungsniveau oder beispielsweise bei Wasserstress produziert wird.

Diagramm, das die Photosynthesevorgänge in Relation zum Calvin-Zyklus und zur Photorespiration darstellt.

Das Chloroplast absorbiert O2, das zusammen mit dem RuBP von dem Enzym RUbisCO katalysiert und in Glykolsäure und Glykolat umgewandelt wird. Das Glykolat wird in ein Peroxisom transportiert (Membransäckchen mit Enzymen) und mit der Aktion des O2 vom oxidativen Enzym katalysiert und in Wasserstoffperoxid sowie in Glyoxylat umgewandelt, das durch Transaminierung Nitrogenium enthält und die Aminosäure Glycin bildet. Zwei dieser Aminosäuren gelangen in das Mytochondrium, wo schließlich drei Verbindungen entstehen: Serin, Ammoniak und CO2. Die Gase CO2 und Ammoniak werden freigesetzt. Das Serin kehrt ins Peroxisom zurück, wo es in Glycerat umgewandelt wird. Dieses wiederum wird in den Chloroplast transportiert und gliedert sich dort anhand der Energie eines ATP-Moleküls als 3-Phosphoglycerat wieder in den Calvin-Zyklus ein.

Schlussfolgerung

Die Photosynthese ist ein biochemischer Prozess auf Zellebene, der auf den ersten Blick unbedeutend erscheinen kann. Er hat jedoch wesentlich mehr Auswirkungen auf unser Leben als wir uns vorstellen können. Die Qualität der Luft, die wir atmen, ist von diesem Prozess abhängig und aufgrund dieses Vorgangs hat sich die ursprüngliche Atmosphäre verändert und das Überleben von Tieren, Pflanzen und Menschen ermöglicht. Die Sonnenenergie, die vom photosynthetischen Prozess benutzt wird, ist die Quelle aller Energie, die der Mensch benötigt, um seinen Bedarf an Licht und Wärme zu decken. In diesem Zusammenhang sind der Einfluss der Lichtphotonen auf das Chlorophyll und die Photolyse des Wassers der Ursprung eines molekularen Ungleichgewichts, das sich dank des Protonenflusses über die Thylakoidenmembran wieder einpendelt. Das wird als Lichtphase bezeichnet.

In der Dunkelphase wird Kohlendioxid anhand der chemischen Energie der Produkte aus der Photophosphorylierung in Glukose und andere Kohlenhydrate umwandelt. Diese als ATP und NADPH gespeicherte Energie wird verwendet, um das Kohlendioxid in organischen Kohlenstoff zu reduzieren. Die Funktion realisiert sich mithilfe einer Reihe von Reaktionen, die als Calvin-Zyklus bezeichnet und von der Energie der ATP und NADPH in Gang gesetzt werden. Das Ergebnis ist die Abgabe des Sauerstoffs an die Atmosphäre und die Entstehung von Glukose, die der Pflanze als Nahrung dient.

Jedes Jahr verbrauchen die Pflanzen unserer Erde ungefähr 310.000 Millionen Tonnen Wasser und 750.000 Millionen Tonnen Kohlendioxid, um sie in 510.000 Millionen Tonnen Materie und 550.000 Millionen Tonnen Sauerstoff umzusetzen. Es klingt unlogisch, dass obwohl der Sauerstoff unserer Erde sich nur aufgrund der Arbeit, die diese Pflanzen leisten, nicht erschöpft, der Mensch, als denkendes Wesen, weiterhin Bäume fällt und die Umwelt verschmutzt (mit den Abgasen von Autos, Müll, Spraydosen, Industrieabfällen etc.). Auf diese Weise verringert sich die Fähigkeit der Pflanzen, die Mengen Sauerstoff zu produzieren, den wir zum Überleben benötigen.

Mit diesem Gedankenanstoß verabschiede ich mich bis zum folgenden Kapitel, in dem wir uns mit dem Thema der Atmung und der Magenregulierung beschäftigen wollen. Darüber hinaus lernen wir, wie wir die Assimilierungsrate unserer Pflanzen beeinflussen können. Bis dahin, have a good Smoke.

Autor: Manel

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Hoppla, sieht so aus als hätten Sie etwas vergessen.
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