Vorlesung 5 Flashcards
Stellen Sie die Rolle von ATP und NADPH im Calvin-Zyklus dar!
- ATP und NADPH werden im Rahmen der Lichtreaktion synthetisiert und im Calvin-Zyklus verbraucht, letztendlich um CO2 zu reduzieren (Carboxylierung von Ribulose 1,5 Bisphosphat).
- Dabei wird 3-Phosphoglycerat zunächst durch ATP phosphoryliert, und dann mittels NADPH zu Glycerinaldehyd-3-Phosphat (Triose-Phosphat) reduziert.
Beschreiben Sie die drei Phasen des Calvin-Zyklus! Was ist RUBISCO?
Für 1 Molekül Glucose muss der Calvin-Zyklus 6x durchlaufen werden!
- Kohlenstofffixierung:
- Ein CO2 Molekül wird in den Calvin-Zyklus eingebracht.
- Es reagiert mit RuBP (C5-Körper/Kohlenstoffskelett).
- Diese Rkt wird durch das Enzym Rubisco vermittelt. → instabiler C6 Körper → zerfällt in zwei Teile C3-Körper.
- Reduktion:
- Der C3-Körper wird über ATP zunächst phosphoryliert, und dann mittels NADPH zu einem Triosephosphat (= Kohlenhydrat) reduziert.
- Auch hier wirken spezifische Enzyme, die die Reaktionen vermitteln.
- Regeneration:
- Von 6 produzierten Triosephosphaten (G3P) verlässt eines den Zyklus, die übrigen 5 werden dazu verwendet, über Phosphorylierung den CO2 Akzeptor RuBP zu regenerieren.
- Rubisco ist ein Enzym, das Reaktionen mit O2 und mit CO2 katalysieren kann.
- mit O2: ….Oxygenase,
- mit CO2: Carboxylase.
- Wie alle Katalysatoren beschleunigt Rubisco die stattfindende Reaktion, beeinflusst aber nicht die Reaktionsrichtung!
Warum findet der Calvin-Zyklus bevorzugt im Licht statt?
Wie wird der Calvin-Zyklus durch Elemente der Lichtreaktionen reguliert? Beschreiben Sie die Regulationsmechanismen.
- Der Calvin-Zyklus findet bevorzugt im Licht statt, denn zur Synthese von Kohlenhydraten benötigt er die Substrate ATP und NADPH, die in der Lichtreaktion synthetisiert werden.
- Die Aktivität des Calvin-Zyklus muss licht- und CO2- abhängig reguliert werden.
- Langsame Regulationsmechanismen: Regulation der Enzymkonzentration durch Anpassung der Genexpression
- Schnelle Regulationsmechanismen: Regulation der Enzymaktivität durch Veränderung der kovalenten Bindungen, z.B. Reduktion von Disulfidbrücken, oder Salzbrücken. Beispiele für Veränderung von kovalenten Bindungen:
- Aktivierung der Rubisco durch CO2 durch Carbamylierung. ⇒ CO2 ist Substrat und Aktivator des Calvin-Zyklus
- Aktivierung von Fructosebisphosphat-Phosphatase durch Bildung von Disulfidbrücke
- Ferredoxin (Bestandteil der e-Transportkette der Lichtreaktion) kann Enzyme des Calvin-Zyklus aktivieren.
Zeigen Sie die Ursache und Hauptkonsequenzen der Photorespiration!
Ursache:
- erhöhte Temperatur und/oder geringe CO2 Verfügbarkeit führen zu einem geringen CO2 Partialdruck.
- Unter diesen Bedingungen katalysiert RubisCO als Oxygenase RuBP mit O2. Dabei werden gerade gebildete C3-Körper wieder “veratmet”, es entsteht CO2 (Photorespiration) und ein C2-Körper, der erst wieder unter ATP Verbrauch zu einem C3-Körper umgebaut werden muss.
- So kann leider keine Biomasse aufgebaut werden!
Konsequenzen und Sinn:
- Rückgewinnung: Die Bausteine für den Calvin-Zyklus werden zurückgewonnen.
- Schutzfunktion: An heißen Tagen (geschlossenen Stomata → wenig CO2): überschüssige (und tendenziell schädliche) Elektronen, die durch die Lichtreaktion frei werden, finden keinen Elektronenakzeptor. Durch die Photorespiration, bei der ATP und NADH verbraucht werden, können die Elektronen aus der Lichtreaktion weiter auf ADP und NAD+ übertragen werden.
Beschreiben Sie zwei wichtige photosynthetische Adaptationen, die die
Photorespiration vermindern!
Beide Anpassungen knüpfen daran an, den CO2 Partialdruck hoch zu halten - insbesondere an heißen, trockenen Standorten - so dass möglichst wenig Oxygenierungsreaktionen durch Rubisco katalysiert werden.
- C4 Photosynthese:
- hier kommt es zu einer räumlichen Trennung zwischen CO2 Eintrag (Fixierung) und Calvin-Zyklus.
- CO2 wird dabei in den Mesophyllzellen durch die PEP-Carboxylase in Form von Malat gespeichert.
- Der Calvin-Zyklus findet in den kranzförmig um die Leitgewebe angelegten Bündelscheidenzellen statt.
- CAM-Pflanzen:
- zeitliche Trennung zwischen CO2 Eintrag und Calvin-Zyklus.
- Auch hier findet eine Speicherung von CO2 in der Vakuole in Form von Malat statt (–> Ansäuerung!), allerdings in den gleichen Zellen, in denen auch der Calvin Zyklus abläuft.
- das bei der Zellatmung entstehende CO2 wird direkt wieder fixiert und steht damit der Photosynthese (Calvin-Zyklus) zur Verfügung.
Beschreiben Sie die Unterschiede und Gemeinsamkeiten von CAM und
C4-Photosynthese!
C4 Metabolismus als Anpassung an heiße und trockene Standorte:
- Bündelscheide um die Leitbündel (Kranz-Morphologie) → räumliche Trennung: CO2 Fixierung in den Mesophyllzellen durch PEP-Carboxylase in Form von Malat.
- PEP-Carboxylase hat höhere Bindungsaffinität für CO2 als RubisCO und funktioniert damit auch wenn es heiß und trocken ist.
- Malat wird dann in den Bündelscheidenzellen wieder oxidiert → CO2 gelangt in den Calvin-Zyklus.
CAM Metabolismus:
- zeitliche Trennung von CO2 Eintrag und Carboxylierung durch RubisCO.
- Chemisch ähnliche Reaktionen wie beim C4 Metabolismus. Spaltöffnungen sind nachts geöffnet, wenn Transpiration gering ist ⇒ CO2 wird nachts in Form von Malat in der Vakuole gespeichert, und tagsüber in den Calvin-Zyklus eingebracht.
C4-Photosynthese
- Kranzmorphologie: in C4 Pflanzen gibt es kranzförmig um die Leitgewebe herum sogenannte Bündelscheidenzellen. Hier findet der Calvin-Zyklus statt.
- Der CO2 Eintrag findet allerdings in den Mesophyllzellen statt, Fixierung als Malat.
Chloroplastendimorphismus:
- Mesophyllzellen: Chloroplasten mit Stroma- und Granathylakoide, ohne Stärke
- Bündelscheidenzellen: Stroma-Thylakoide, Stärkekörnchen
- Doppelfixierung von CO2: Zunächst in Form von Malat durch die PEP-Carboxylase, dann durch RubisCo im Calvin-Zyklus.
CAM-Photosynthese
- Anpassung an trockene und heiße Standorte, zeitliche Trennung von CO2-Fixierung in Form von Malat und Calvin-Zyklus.
- Stomata öffnen sich nachts → CO2 Fixierung und Speicherung in der Vakuole in Form von Malat
- Calvin-Zyklus findet tagsüber statt
Beschreiben Sie neben den zwei photosynthetische Adaptationen (C4 und CAM) eine weitere Adaptation, die die Photorespiration vermindern!
Chloroplastendimorphismus:
Mesophyllzellen: Chloroplasten mit Stroma- und Granathylakoide, ohne Stärke
Bündelscheidenzellen: Stroma-Thylakoide, Stärkekörnchen
Doppelfixierung von CO2: Zunächst in Form von Malat durch die PEP-Carboxylase, dann durch RubisCo im Calvin-Zyklus.
