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Transkript Fotosynthese – C4 und CAM-Pflanzen

Hallo! Hast du dich schonmal gefragt, wie eigentlich Pflanzen in einem heißen sonnigen Klima ihr CO2 über ihre Spaltöffnungen aufnehmen, ohne dabei auszutrocknen? Sie müssten permanent geschlossen sein, damit sie keine Feuchtigkeit verlieren. Eine eigene Fotosyntheseart ermöglicht ihnen das überleben in diesen Regionen. Wie das genau funktioniert, siehst Du in diesem Video!

Die meisten Pflanzen führen eine sogenannte C3-Fotosynthese durch. Das bedeutet, dass Kohlenstoffdioxid im Calvin-Zyklus an Ribulose-1,5-bisphosphat gebunden wird und der entstehende C6-Körper sofort in zwei Moleküle mit 3 Kohlenstoffatomen, das 3-Phosphoglycerat, zerfällt. Die erste bei der Kohlenstoffdioxidfixierung nachweisbare Substanz ist also ein C3-Molekül. Deshalb nennt man dieses C3-Fotosynthese.

Manche Pflanzen haben sich an ihre Umgebung angepasst und führen eine sogenannte C4-Fotosynthese durch. Hier ist das erste nachweißbare Produkt der Kohlenstoffdioxidfixierung demnach nicht ein C3- sondern ein C4-Körper, also ein Molekül mit 4 Kohlenstoffatomen.

Der Akzeptor für CO2 ist hier Phosphoenolpyruvat kurz PEP, ein C3-Körper. Es entsteht dann ein C4-Körper, das Oxalacetat, das einfach in Malat umgewandelt wird.

Malat kann CO2 wieder abspalten, so dass über Pyruvat wieder der eigentliche CO2-Akzeptor PEP mit 3 Kohlenstoffatomen entsteht. Damit wurde das CO2 zunächst vorfixiert, kann dann aber wieder freigesetzt werden. Nach Freisetzen des CO2 wird es in den Calvin-Zyklus wie auch bei der C3-Fotosynthese eingeschleust. Welchen Sinn eine solche Vorfixierung von CO2 hat, siehst du gleich.Die CO2-Vorfixierung kann nämlich zeitlich oder räumlich getrennt vom Calvin-Zyklus ablaufen.

Fangen wir mit der räumlichen Trennung an. In den Blättern dieser Pflanzen findet man zwei verschiedene Zelltypen, die du gut im Blattquerschnitt einer C4-Pflanze sehen kannst. Das Blattinnengewebe besteht aus locker gepackten Zellen mit normalen Chloroplasten, den Mesophyllzellen. Diese umgeben die Zellen, die die Leitbündel des Blattes ringförmig umgeben, die Leitbündelscheidenzellen. Sie besitzen nur spärlich entwickelte Chloroplasten, die oftmals keine Grana haben.

Die Vorfixierung des CO2 und der Calvin-Zyklus finden in diesen beiden Zelltypen getrennt voneinander statt. Das CO2 gelangt über die Spaltöffnungen in die Zellzwischenräume und dann in die Mesophyllzellen. Dort wird es an PEP gebunden und Malat entsteht.

Malat wird in die Leitbündelscheidenzellen transportiert. Dort wird CO2 wieder abgespalten und in den Calvin-Zyklus eingeschleust. Das entstehende Pyruvat wird zurück in die Mesophyllzelle transportiert und in PEP zurück gewandelt.

Du fragst dich sicher, welchen Sinn eine solche räumliche Trennung der CO2-Fixierung und des Calvin-Zyklus macht, oder? Das Enzym, welches bei C4-Pflanzen CO2 an PEP bindet, die PEP-Carboxylase, ist auch bei sehr niedrigen CO2-Konzentrationen sehr aktiv. Das entsprechende Enzym im Calvin-Zyklus, das dort die CO2-Fixierung durchführt, braucht wesentlich höhere CO2-Konzentrationen.

Die Vorfixierung des CO2 ist bei C4-Pflanzen also sehr effektiv. Das ist zum Beispiel wichtig, wenn bei hohen Temperaturen die Spaltöffnungen des Blattes geschlossen werden und so die CO2-Konzentrationen im Blatt gering sind. Dann können C4-Pflanzen weiter Fotosynthese machen.

Allerdings verbraucht eine C4-Pflanze auch eine Menge Energie, weil sie Malat und Pyruvat von einer Zelle in die andere transportieren muss. Daran siehst Du auch, dass die C4-Fotosynthese nur bei heißem Klima Sinn macht, wenn die Spaltöffnungen der Blätter geschlossen sind. Und tatsächlich: Zu den C4-Pflanzen gehören Mais, Zuckerrohr und Hirse, die alle in Klimazonen mit hohen Temperaturen beheimatet sind.

Auch viele Sukkulenten machen C4-Fotosynthese. Sukkulenten wachsen in heißen trockenen Klimazonen. Sie besitzen eine Variante der C4-Fotosynthese, die man auch als CAM-Fotosynthese bezeichnet. CAM steht für Crassulacean Acid Metabolism, da die Familie der Crassulaceaen stark vertreten ist. Hier läuft nachts die Vorfixierung des CO2 an PEP ab, da es nachts kühl ist und die Spaltöffnungen ohne großen Wasserverlust geöffnet werden können.

Tagsüber werden die Spaltöffnungen bei Hitze geschlossen, so dass möglichst wenig Wasser verdunstet. Dann wird CO2 aus Malat abgespalten und in den Calvin-Zyklus eingeschleust. Es gibt bei den CAM-Pflanzen also eine zeitliche Trennung zwischen der Vorfixierung des CO2 und dem Calvin-Zyklus. So kann die Pflanze trotz geschlossener Spaltöffnungen Fotosynthese machen, da CO2 nachts vorfixiert wurde.

Du kannst dir aber sicher vorstellen, dass die CAM-Fotosynthese nur wenig effektiv ist. Es kann nämlich nur so viel CO2 nachts vorfixiert werden wie PEP in der Pflanze vorliegt. Dann muss tagsüber erst wieder CO2 abgespalten werden, um wieder PEP zu erhalten.

Jetzt hast du gesehen, dass es Pflanzen mit einer anderen Variante der Fotosynthese, nämlich der C4-Fotosynthese, gibt. Diese können das CO2 in Form eines C4-Körpers, das Malat, fixieren.

Werden hitzebedingt die Spaltöffnungen geschlossen und damit die CO2 Aufnahme eingeschränkt, kann das fixierte CO2 genutzt werden. Die Fixierung des CO2 kann räumlich und zeitlich vom Calvin-Zyklus getrennt werden. Tschüss!

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3 Kommentare
  1. Default

    absolut anschaulich!

    Von Kschneider Neroth, vor mehr als einem Jahr
  2. Default

    Top!

    Von Maikwiegand, vor fast 2 Jahren
  3. Default

    Hat mir sehr geholfen!!

    Vielen Dank für diese anschauliche Darstellung!
    LG :)

    Von Eva 1196, vor mehr als 2 Jahren