Hauptinhalt
Biology library
Kurs: Biology library > Lerneinheit 13
Lektion 4: Photorespiration: C3-, C4- und CAM-PflanzenPhotorespiration
Photorespiration ist ein verschwenderischer Weg, der mit dem Calvin-Zyklus konkurriert. Sie beginnt, wenn RuBisCo auf Sauerstoff anstelle von Kohlendioxid wirkt.
Einführung
Hast du irgendwelche Freunde, die tolle Leute sind, aber auch irgendeine schlechte Angewohnheit haben? Vielleicht schieben sie oft Dinge auf, vergessen deinen Geburtstag oder denken nie daran, sich die Zähne zu putzen. Du würdest aufgrund dieser Dinge niemals deine Freundschaft zu ihnen aufgeben, aber von Zeit zu Zeit wünscht du dir vielleicht, dass sie genau das in Ordnung bringen würden.
Die RuBP-Carboxylase/-Oxygenase (RuBisCo), ein Schlüsselenzym in der Photosynthese, ist das molekulare Äquivalent eines guten Freundes mit einer schlechten Angewohnheit. Im Rahmen der Kohlenstofffixierung während des ersten Schrittes des Calvin-Zyklus bindet RuBisCo Kohlendioxid (start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript) in ein organisches Molekül ein. RuBisCo ist für Pflanzen so wichtig, dass es 30, percent oder mehr des löslichen Proteins in einem typischen Pflanzenblatt ausmacht.start superscript, 1, end superscript Aber RuBisCo hat auch einen großen Fehler: Statt immer start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript als Substrat zu verwenden, nimmt es stattdessen manchmal start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript auf.
Diese Nebenreaktion setzt einen Weg mit der Bezeichnung Photorespiration in Gang, der, anstatt Kohlenstoff zu fixieren, tatsächlich zum Verlust von bereits fixiertem Kohlenstoff als start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript führt. Die Photorespiration verschwendet Energie und verringert die Herstellung von Zucker. Wenn RuBisCo also diesen Weg einleitet, begeht es einen schweren molekulare Fauxpas.
In diesem Artikel werden wir untersuchen, warum die Photorespiration abläuft, wann sie am wahrscheinlichsten stattfindet (Hinweis: Denk an heiße und trockene Bedingungen) und wie sie tatsächlich funktioniert.
RuBisCo bindet entweder an start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript oder start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript
Wie wir in der Einleitung gesehen haben, kann das Enzym RuBisCo entweder start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript oder start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript als Substrat verwenden. RuBisCo fügt das Molekül, an das es bindet, einer Verbindung mit fünf Kohlenstoffen mit dem Namen Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP) hinzu. Die Reaktion, die start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript verwendet, ist der erste Schritt des Calvin-Zyklus und führt zur Produktion von Zucker. Die Reaktion, die start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript verwendet, ist der erste Schritt der Photorespiration, die Energie verschwendet und die Arbeit des Calvin-Zyklus "rückgängig macht".squared
Was bestimmt, wie oft jedes Substrat "ausgewählt" wird? Zwei Schlüsselfaktoren sind die relativen Konzentrationen von start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript und start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript und die Temperatur.
Wenn eine Pflanze seine Stomata, oder Blattporen, offen hat, diffundiert start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript hinein und start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript sowie Wasserdampf hinaus und die Photorespiration ist minimiert. Wenn eine Pflanze jedoch ihre Stomata verschließt – zum Beipiel, um den Wasserverlust durch Verdunstung zu reduzieren – reichert sich start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript aus der Photosynthese innerhalb des Blattes an. Unter diesen Bedingungen steigt die Photorespiration aufgrund der höheren Konzentration von start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript im Verhältnis zu start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript an.
Darüber hinaus hat RuBisCo eine höhere Affinität für start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript , wenn die Temperaturen steigen. Bei milden Temperaturen ist die Affinität (Bindungsneigung) von RuBisCo gegenüber start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript etwa 80 mal höher als die Affinität für start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript.cubed Bei hohen Temperaturen ist RuBisCo jedoch weniger in der Lage, die Moleküle zu unterscheiden und bindet häufiger Sauerstoff.start superscript, 4, end superscript
Die Quintessenz ist, dass heiße, trockene Bedingungen dazu führen, dass mehr Photorespiration abläuft – es sei denn, Pflanzen haben spezielle Eigenschaften, um dieses Problem zu verringern. In den Videos zu C4-Pflanzen und CAM-Pflanzen erfährst du mehr die Abhilfemaßnahmen von Pflanzen.
Photorespiration verschwendet Energie und stiehlt Kohlenstoff
Die Photorespiration beginnt im Chloroplasten, wenn RuBisCo start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript in seiner Oxygenase-Reaktion an RuBP bindet. Zwei Moleküle werden dabei produziert: eine Verbindung mit drei Kohlenstoffen, 3-PGA, und eine Verbindung mit zwei Kohlenstoffen, Phosphoglycolat. 3-PGA ist ein normales Zwischenprodukt des Calvin-Zyklus, aber Phosphoglycolat kann nicht in den Zyklus eintreten, sodass seine zwei Kohlenstoffe aus dem Zyklus entfernt oder "gestohlen" werden.start superscript, 5, end superscript
Um einen Teil des verlorenen Kohlenstoffs zurückzugewinnen, leiten Pflanzen Phosphoglycolat durch eine Reihe von Reaktionen, die den Transport zwischen verschiedenen Organellen beinhalten. Drei Viertel des Kohlenstoffs, der als Phosphoglycolat in diesen Weg eintritt, wird zurückgewonnen, während ein Viertel als start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript verlorengeht.start superscript, 5, end superscript
In der folgenden Abbildung siehst du einen Vergleich zwischen der Photorespiration und dem normalen Calvin-Zyklus. Du kannst sehen, wie viele fixierte Kohlenstoffatome gewonnen oder verloren werden, wenn entweder 6 start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript- oder 6 start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript-Moleküle von RuBisCo eingefangen werden. Die Photorespiration führt unter diesen Bedingungen zu einem Verlust von 3 fixierten Kohlenstoffatomen, während der Calvin-Zyklus zu einem Gewinn von 6 fixierten Kohlenstoffatomen führt.
Photorespiration ist definitiv kein Gewinn aus der Perspektive der Kohlenstofffixierung. Sie kann jedoch andere Vorteile für Pflanzen haben. Es gibt Belege dafür, dass die Photorespiration lichtschützende Effekte haben kann (die lichtinduzierte Schädigung der an der Photosynthese beteiligten Moleküle verhindern), das Redoxgleichgewicht in den Zellen aufrecht erhalten und die Immunabwehr der Pflanzen unterstützen kann.start superscript, 8, end superscript
Willst du an der Diskussion teilnehmen?
Noch keine Beiträge.