Der Calvin-Zyklus

Der Calvin-Zyklus: Schlüsselelement der Fotosynthese

Hast du dich jemals gefragt, wie Pflanzen es schaffen, aus Sonnenlicht und Luft lebenswichtige Energie zu gewinnen? Die Antwort kennst du sicherlich: sie liegt in der Fotosynthese – einem komplexen Prozess, bei dem der Calvin-Zyklus eine entscheidende Rolle spielt. Er sorgt dafür, dass Kohlenstoffdioxid aus der Luft in energiereiche Zucker umgewandelt wird.
In den nächsten Abschnitten erfährst du, wie dieser Zyklus funktioniert, welche Phasen er durchläuft und warum er für Pflanzen – und letztlich auch für uns Menschen – so wichtig ist.

Der Calvin-Zyklus einfach erklärt

Der Calvin-Zyklus ist eine Abfolge chemischer Reaktionen, die in den Chloroplasten von Pflanzenzellen ablaufen. Er ist ein zentraler Bestandteil der Fotosynthese, die in zwei Phasen unterteilt ist: die lichtabhängige Reaktion und die lichtunabhängige Reaktion (auch Dunkelreaktion genannt). Während in der lichtabhängigen Reaktion Sonnenlicht genutzt wird, um ATP und NADPH zu erzeugen, finden im Calvin-Zyklus als Teil der lichtunabhängigen Reaktion chemische Umwandlungen statt. In diesen Reaktionen wird das aus der Lichtreaktion produzierte ATP und NADPH genutzt, um Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$) in organische Verbindungen, wie Traubenzucker, auch bekannt als Glucose, umzuwandeln. Diese organischen Verbindungen sind entscheidend für die Energieversorgung der Pflanzen – und letztlich für das gesamte Leben auf der Erde.

Die Entdeckung des Calvin-Zyklus

Der Calvin-Zyklus wurde in den 1940er-Jahren von dem amerikanischen Biochemiker Melvin Calvin und seinen Kollegen entdeckt. Sie konnten durch radioaktive Markierung von Kohlenstoffdioxid nachweisen, wie Kohlenstoff durch verschiedene Zwischenprodukte wandert, bis am Ende Glucose entsteht. Für diese bahnbrechende Arbeit erhielt Melvin Calvin 1961 den Nobelpreis für Chemie.

Der Ablauf des Calvin-Zyklus

Der Calvin-Zyklus lässt sich in drei Hauptphasen unterteilen:

1. Carbonfixierung
2. Reduktion
3. Regeneration des RuBP

Nachfolgend erläutern wir die einzelnen Phasen genauer.

1. Carbonfixierung

In der ersten Phase wird $\ce{CO2}$ aus der Atmosphäre in den Zyklus aufgenommen. Dies geschieht durch das Enzym Rubisco (Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase), das $\ce{CO2}$ an Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP) bindet. Das entstehende Zwischenprodukt ist ein instabiles Molekül, das sofort in zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat (3-PGA) zerfällt.

2. Reduktion

In der zweiten Phase werden die 3-PGA-Moleküle mithilfe von ATP und NADPH, die in der Lichtreaktion erzeugt wurden, zu Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P) reduziert. G3P ist ein wichtiges Zwischenprodukt, das in weiteren Reaktionen zu Glucose und anderen Zuckern weiterverarbeitet werden kann.

3. Regeneration des RuBP

In der letzten Phase wird das RuBP regeneriert, damit der Zyklus von Neuem beginnen kann. Hierbei werden fünf Moleküle G3P unter Verbrauch von ATP in drei Moleküle RuBP umgewandelt.

Gesamtbilanz des Calvin-Zyklus

Die Umwandlung von $\ce{CO2}$ in Glucose erfordert mehrere Energie- und Reduktionsäquivalente. Die Gesamtreaktion des Calvin-Zyklus lässt sich wie folgt darstellen:

$\ce{6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H+ -> C6H12O6 + 18 ADP + 18 P_i + 12 NADP+}$

Das Calvin-Zyklus-Schema

Diese Tabelle fasst die Phasen des Calvin-Zyklus zusammen:

C3-, C4- und CAM-Pflanzen: Unterschiede in der $\ce{CO2}$-Fixierung

Nicht alle Pflanzen nutzen den Calvin-Zyklus auf die gleiche Weise.

• C3-Pflanzen (z. B. Weizen, Reis) verwenden den Calvin-Zyklus direkt.
• C4-Pflanzen (z. B. Mais) besitzen einen zusätzlichen Mechanismus zur $\ce{CO2}$-Fixierung, um Fotosyntheseverluste bei hoher Temperatur zu minimieren.
• CAM-Pflanzen (z. B. Kakteen) speichern $\ce{CO2}$ nachts, um Wasserverlust zu vermeiden.

Photorespiration: Ein Effizienzverlust der Fotosynthese

Unter hohen Temperaturen kann Rubisco statt $\ce{CO2}$ auch Sauerstoff binden. Dies führt zur Photorespiration, einem Prozess, der Energie verbraucht, ohne verwertbare Kohlenhydrate zu produzieren. Pflanzen wie C4- und CAM-Pflanzen haben Strategien entwickelt, um diesen Effekt zu reduzieren.

Lichtunabhängige und lichtabhängige Reaktionen

Der Calvin-Zyklus ist eng mit den Lichtreaktionen der Fotosynthese verknüpft. Die Lichtreaktionen finden in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten statt und erzeugen ATP und NADPH aus Lichtenergie. Diese Moleküle liefern die notwendige Energie und Reduktionskraft für die lichtunabhängigen Reaktionen des Calvin-Zyklus.

Die Unterschiede zwischen den beiden Reaktionstypen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Lichtreaktionen:

  • Finden in den Thylakoiden der Chloroplasten statt.
  • Produzieren ATP und NADPH unter Verwendung von Lichtenergie.

• Dunkelreaktionen (Calvin-Zyklus):

  • Finden im Stroma der Chloroplasten statt.
  • Nutzen ATP und NADPH, um $\ce{CO2}$ in Glucose umzuwandeln.

Ausblick – das lernst du nach dem Thema Calvin-Zyklus

Nun wird es Zeit mehr über die Bedeutung und Lichtaufnahme der Pflanzen bei der Fotosynthese zu lernen. Oder du informierst dich mehr über das bekannte Pigment, dass die Fotosynthese erst möglich macht: Chlorophyll.

Häufig gestellte Fragen zum Calvin-Zyklus