Photosynthese: Was passiert während der Dunkelphase & der Photorespiration?

Die Dunkelphase der Photosynthese ist ein komplizierter Prozess, bei dem NADPH und ATP zur Herstellung von Kohlenhydratmolekülen (oder Zucker) verwendet werden. Im Gegensatz zur Lichtphase kann dies bei Licht oder Dunkelheit geschehen. Dieser Leitfaden erklärt, wie die „dunkle Seite“ der Photosynthese funktioniert, welche Vorteile sie hat und warum sie wichtig ist.

Bevor wir mit unserer zweiteiligen Mini-Serie über Photosynthese fortfahren, lassen Sie uns den ersten Teil durchgehen. Im vorherigen Kapitel haben wir die allgemeinen Konzepte dieses Prozesses und insbesondere die Lichtphase behandelt. Hier ist eine Zusammenfassung der grundlegenden Konzepte der Lichtphase für diejenigen, die keine Gelegenheit hatten, sie zu lesen, und als kurze Erinnerung für diejenigen, die nichtsdestotrotz eine Auffrischung benötigen.

Während der Lichtphase laufen in den Blättern der Pflanze durch die Einwirkung von Licht eine Reihe von biochemischen Prozessen ab. Lichtenergie wird von Strukturen eingefangen, die als Photosysteme bezeichnet werden. Durch die Spaltung von Wassermolekülen wird die freigesetzte chemische Energie genutzt, um zwei Grundmoleküle des Pflanzenstoffwechsels zu synthetisieren: ATP und NADP.

Die Bildung von ATP wird als Photophosphorylierung bezeichnet, von denen es zwei Varianten gibt: zyklisch und nicht-zyklisch. Die Lichtphase ist für die folgende Phase, die Dunkelphase, notwendig, in der ihrerseits nicht unbedingt die Anwesenheit von Licht benötigt wird. Sie läuft in den Chloroplasten ab und hängt direkt von den in der Lichtphase gewonnenen Produkten ab.

Was passiert während der Dunkelphase der Photosynthese?

In der Dunkelphase (die im Stroma stattfindet) führt das dem Kohlendioxidgas (CO2) in der Luft zugegebene Ribulosebisphosphat zur Bildung organischer Verbindungen, hauptsächlich Kohlenhydrate oder Zucker, deren Moleküle Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthalten. Dieser Transformationszyklus wird als Calvin-Zyklus bezeichnet.

Die erste Stufe der Dunkelphase ist die Kohlenstofffixierung, die bei verschiedenen Pflanzenarten unterschiedlich verläuft. Auf physiologischer Ebene wird Cannabis als C3-Pflanze eingestuft. Denn es nutzt Kohlendioxidmoleküle dreifach.

Andere Pflanzenarten verwenden sie in Vierergruppen, wie z.B. CAM- und C4-Pflanzen, die wir in diesem Artikel aber nicht behandeln werden. Die anderen beiden Phasen der Dunkelphase der Photosynthese sind Reduktion und Regeneration. Schauen wir uns diese Phasen im Einzelnen an.

  1. Fixierung: Das erste Enzym, das in den Calvin-Zyklus eingreift, heißt RuBisCO, das drei atmosphärische CO2-Atome fixiert und sie an drei Einheiten Ribulosebisphosphat bindet. Das Ergebnis dieser Bindung sind sechs Moleküle von 3-Phosphoglycerat.
  2. Reduzierung: Das vorhergehende Molekül verwandelt sich durch die Wirkung von sechs ATPs (in der Lichtphase erzeugt) in 1,3-Bisphosphoglycerat, und diese Verbindung verwandelt sich durch die Wirkung von sechs NADPHs in G3P. Eines dieser beiden Moleküle von G3P gelangt in die Stoffwechselwege der Pflanze, um überlegenere Verbindungen wie Glukose oder Stärke zu produzieren, die alle etwas später erläutert werden.
  3. Regeneration: Schließlich erzeugt die Zugabe von Phosphor über drei ATPs ein neues Molekül aus Ribulose-1,5-bisphosphat, das den Prozess wieder in Gang setzt. Weitere Informationen finden Sie in der folgenden Abbildung, die die Schritte des Calvin-Zyklus zeigt:
DUNKELPHASE ODER CALVIN-BENSON-ZYKLUS Kohlendioxid, Phosphoglycerat, Diphosphoglycerat, anorganischer Phosphor, Glycerinaldehydphosphat, Phosphat, Glukose, Glycerinaldehydphosphat, Ribulosephosphat, Ribulosediphosphat, Fixierung von CO2 durch das Enzym RuBisCO. Ein Teil des Glycerinaldehydphosphats bleibt im Kreislauf, der andere verlässt ihn und wandelt sich in Glucide um.

Nach der Bildung von Glukose kommt es zu einer Reihe von chemischen Reaktionen, die zur Bildung von Stärke und mehreren anderen Kohlenhydraten führen. Mit diesen Produkten stellt die Pflanze die Lipide und Proteine her, die für die Bildung von Pflanzengewebe benötigt werden. So mischt sich die produzierte Stärke mit dem in den Blättern vorhandenen Wasser und wird über winzige Röhrchen im Pflanzenstamm aufgenommen, die sie zur Wurzel transportieren und dort speichern.

Aus dieser Stärke wird Cellulose, der Hauptbestandteil von Holz, hergestellt. Diese Prozesse sind jedoch wesentlich komplexer und werden daher hier nicht behandelt. Lassen Sie uns also mit dem anderen Teil des Prozesses fortfahren.

Was ist die Photorespiration und gibt es einen Nutzen?

Die Photorespiration ist ein Prozess, der im Blattmesophyll in Gegenwart von Licht stattfindet und bei dem eine hohe Konzentration an Sauerstoff vorliegt. Dies ist ein „Fehler“ im Calvin-Kreislauf, denn der energieeffizienteste Prozess für die Anlage wäre die Kohlenstoffbindung. Die Ursache dafür ist, dass sich die Pflanzen in einer Umgebung entwickelten, in der die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre höher war als heute und in der die Wahrscheinlichkeit, Photorespiration zu erzeugen, extrem gering war.

Heutzutage ist die Atmosphäre weniger reich an Kohlendioxid. Aus diesem Grund steigen die Erträge ebenso wie die Geschwindigkeit der Blütephase, wenn Cannabis in kohlendioxidangereicherter Atmosphäre angebaut wird,. Da es weniger Konkurrenz zwischen molekularem Sauerstoff (O2) und CO2 gibt, findet die Photorespiration seltener statt und der Stoffwechsel der Pflanze funktioniert effizienter.

Tatsächlich haben Wissenschaftler gerade entdeckt, dass Pflanzen, die genetisch auf die Verwendung einer photorespiratorischen Abkürzung gezüchtet wurden, ihren Ertrag drastisch steigern konnten (der bis zu 200 Millionen Menschen ernähren könnte).

Die günstigste Temperatur für die Kohlenstofffixierung in Bezug auf die Photorespiration ist 24 bis 25 º C. Aus diesem Grund wird immer empfohlen, den Growraum auf dieser Temperatur zu halten. Durch die Zugabe von Kohlendioxid steigt die ideale Temperatur auf etwa 28 º C.

Der Photorespirationsprozess bewahrt durchschnittlich drei Viertel der Kohlenhydrate des RuBP, die mit Sauerstoff reagieren. Die Konkurrenz zwischen CO2 und O2 durch das Enzym RuBisCO erklärt die starke Hemmung der Photosynthese von C3-Pflanzen bei niedrigen CO2-Werten und die Zunahme der Photosynthese bei niedrigen Sauerstoffwerten. In Bezug auf die Produktivität ist die Photorespiration ein Prozess, der die Bindung von CO2 und das Pflanzenwachstum reduziert.

Heute wissen wir jedoch, dass der photorespiratorische Prozess wichtig ist, um die überschüssige Energie (ATP und NADPH2) zu entfernen, die bei hoher Strahlung entsteht oder die beispielsweise bei Wasserstress ungenutzt bleibt.

Der Chloroplast absorbiert O2, das zusammen mit dem RuBP für das Enzym RuBisCO katalysiert wird und wandelt es in Glykolsäure oder Glykolat um. Das Glykolat wird an das Peroxisom (ein membranöser Beutel mit Enzymen) abgegeben. Mit der Wirkung von O2 wird es durch das Oxidase-Enzym katalysiert, wobei ein Teil in Wasserstoffperoxid und der andere Teil in Glyoxylat umgewandelt wird, das Stickstoff zur Transaminierung enthält und die Aminosäure Glycin bildet.

Zwei dieser Aminosäuren werden in die Mitochondrien gebracht, wo schließlich drei Verbindungen entstehen: Serin, Ammoniak und CO2. Das CO2 und die Ammoniakgase werden dann freigesetzt und das Serin kehrt zum Peroxisom zurück, wo es in Glycerat umgewandelt wird. Dieses wiederum wird zum Chloroplast transportiert und dort als 3-Phosphoglycerat durch unter Einsatz eines Moleküls ATP wieder in den Calvin-Kreislauf integriert.

Das Urteil: die Bedeutung der Photosynthese

Die Photosynthese ist ein biochemischer Prozess auf zellulärer Ebene, der zunächst unbedeutend erscheinen könnte. Es hat jedoch mehr Auswirkungen auf unser Leben, als wir uns vorstellen können. Die Qualität der Luft, die wir atmen, hängt ausschließlich von der Photosynthese ab, und dank der Photosynthese wurde die primitive Atmosphäre so verändert, dass Tiere, Pflanzen und Menschen gedeihen können.

Die durch den Photosyntheseprozess gewonnene Sonnenenergie ist die Quelle eines Großteils der Energie, die der Mensch nutzt, um den Bedarf an Licht und Wärme zu decken. In diesem Prozess sind die Wirkung von Lichtphotonen auf das Chlorophyll und die Photolyse von Wasser die Quelle eines molekularen Ungleichgewichtszustandes, der durch den Fluss von Protonen durch die Thylakoidmembran ständig ausbalanciert wird. Dies wird als Lichtphase bezeichnet.

Die Dunkelphase besteht aus der Umwandlung von Kohlendioxid in Glukose und andere Kohlenhydrate durch die Nutzung der chemischen Energie aus den Produkten der Photophosphorylierung. Diese in Form von ATP und NADPH gespeicherte Energie wird genutzt, um Kohlendioxid zu organischem Kohlenstoff zu reduzieren.

Diese Funktion entsteht durch eine Reihe von Reaktionen, die als Calvin-Zyklus bezeichnet werden und durch die Energie von ATP und NADPH aktiviert werden. Daraus resultieren Sauerstoff, der in die Atmosphäre abgegeben wird, und Glukose, die als Nahrung für die Pflanze dient.

Jährlich verbrauchen die Pflanzen auf unserem Planeten rund 310 Milliarden Tonnen Wasser und 750 Milliarden Tonnen Kohlendioxid, was zu rund 510 Milliarden Tonnen Rohstoff und rund 550 Milliarden Tonnen Sauerstoff führt. Es erscheint unlogisch, dass der Sauerstoff in unserer Atmosphäre zwar dank der Arbeit aller Pflanzen nicht ausgeht, der Mensch aber weiterhin Bäume fällt und die Umwelt, auf die unsere Pflanzen angewiesen sind, mit den Abgasen von Autos, Straßenabfällen, Aerosolen und Industrieabfällen verunreinigt.

Da wir uns darauf verlassen, dass die Pflanzen den Sauerstoff, den wir atmen, liefern, ist es wichtig, ihnen dafür eine ausreuchend gesunde Umgebung zu bieten.

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