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Fotosynthese – C4 und CAM-Pflanzen 08:23 min

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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 nachweisbare 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!

11 Kommentare
  1. Hallo Familie 64,
    das ist eine sehr gute Frage und es ist tatsächlich beides richtig. Die PEP-Carboxylase reagiert nur mit CO2 und nicht mit O2. In den Mesophyllzellen findet also keine Photorespiration statt. Allerdings läuft in anderen Zellen der C4-Pflanzen, den Bündelscheidenzellen, trotzdem der Calvin-Zyklus mit RuBisCO statt, dass auch mit O2 reagiert (also die Oxygenasereaktion katalysiert). Die Bündelscheidenzellen sind aber mit den Mesophyllzellen umgeben, weswegen die RuBisCO fast nie mit O2 in Kontakt kommt und daher auch vermehrt mit CO2 reagiert. Die Photorespiration ist also auch in C4-Pflanzen noch möglich und findet auch in geringen Raten statt. Im Gegensatz zu den C3-Pflanzen, sind diese Raten aber so gering, dass sie kaum erwähnenswert sind.
    Ich hoffe ich konnte deine Frage verständlich beantworten.
    Viele Grüße aus der Redaktion

    Von Marie G., vor 4 Monaten
  2. Im Video wird in der 4. Aufgabe gesagt, dass PEP-Carboxylase keine Oxygenasereaktion katalysiert und es so in den Mesophyllzellen nicht zur Fotorespiration kommen kann. Im Unterricht hatten wir besprochen, dass PEP-Carboxylase lediglich eine höhere Affinität zu CO2 als zu Sauerstoff hat und die Stomata deshalb wesentlich länger geöffnet bleiben können, als bei C3-Pflanzen, das Problem grundsätzlich aber auch hier besteht. Wie ist es denn nun richtig?

    Von Familie 64, vor 4 Monaten
  3. schön erklärt

    Von A Slim91, vor 7 Monaten
  4. Hallo Robert K.,
    da der Exrtazellularraum nur selten in der Schule thematisiert wird, haben wir leider kein Video dazu. Bei Pflanzen spricht man von Interzellularen. Dies sind Räume zwischen den Zellen pflanzlicher Gewebe, welche meist mit Luft, selten mit Exkreten oder Wasser gefüllt sind. Ein Netz aus Interzellularen bildet das Interzellularsystem. Dieses fungiert als Durchlüftungssystem. Durch Spaltöffnungen oder anderen Poren steht es mit der Außenluft in Verbindung.
    Bei weiteren Fragen kannst du dich auch gerne an den Hausaufgaben-Chat wenden, der von Montag bis Freitag zwischen 17-19 Uhr für dich da ist.

    Liebe Grüße aus der Redaktion

    Von Tatjana Elbing, vor 8 Monaten
  5. Weiß jemand wo ich etwas über den Zellzwischenraum finden kann ?

    Von Robert K., vor 8 Monaten
  1. sehr anschaulich !

    Von Hammad C., vor etwa einem Jahr
  2. Ich habe alles sehr gut verstanden. Die Schrift ist schön ordentlich und deine Stimme sehr angenehm! Bitte mach mehr solcher videos☺

    Von Rosa-Hanna Z., vor mehr als einem Jahr
  3. super Video! mehr solcher Videos bitte!

    Von Aminemav, vor mehr als 2 Jahren
  4. absolut anschaulich!

    Von Kschneider Neroth, vor etwa 4 Jahren
  5. Top!

    Von Maikwiegand, vor mehr als 4 Jahren
  6. Hat mir sehr geholfen!!

    Vielen Dank für diese anschauliche Darstellung!
    LG :)

    Von Eva 1196, vor etwa 5 Jahren
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Fotosynthese – C4 und CAM-Pflanzen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Fotosynthese – C4 und CAM-Pflanzen kannst du es wiederholen und üben.

  • Bestimme, welche Pflanzen C3- und welche C4-Pflanzen sind.

    Tipps

    Mais und Hirse bevorzugen einen warmen Standort.

    Lösung

    Zu den C3-Pflanzen zählen u.a. die Gräser. Dazu gehören auch Nutzpflanzen wie Weizen, Roggen und Hafer.

    Die C4-Pflanzen findest du vor allem an trockenen und heißen Standorten. Zu ihnen zählen Maispflanzen, Zuckerrohr und auch Hirse.

  • Beschreibe die C3- und C4-Fotosynthese.

    Tipps

    Bei der C3-Fotosynthese entsteht als erste nachweisbare Substanz ein C3-Körper, daher der Name „C3-Pflanze“.

    Bei der C4-Fotosynthese entsteht als erste nachweisbare Substanz ein C4-Körper, daher der Name „C4-Pflanze".

    Lösung

    Bei der C3-Fotosynthese, die du bei vielen Gräsern findest, wird das $CO_2$ im Calvinzyklus an Ribulose-1,5-bisphosphat (oft abgekürzt als RUBISCO) gebunden. Der somit entstandene C6-Körper ist sehr instabil und zerfällt daher rasch in zwei C3-Körper (3- Physphoglycerat).

    Bei der C4-Fotosynthese verhält sich dies anders. Der Akzeptor für das $CO_2$ ist hier Phosphoenolpyruvat, kurz PEP genannt. Es entsteht ein C4-Körper (Oxalacetat), der in Malat umgewandelt wird. Malat spaltet $CO_2$ wieder ab und es entsteht, über Pyruvat, wieder PEP. Diese Fotosynthese findest du bei vielen Pflanzen, die an einem heißen Standort wachsen, wie Mais und Zuckerrohr.

  • Nenne die Gemeinsamkeiten der Fotosynthese bei C4- und CAM-Pflanzen.

    Tipps

    Bei der C4- und CAM-Fotosynthese ist der $CO_2$-Akzeptor PEP.

    Lösung

    Die C4- und CAM-Fotosynthese haben auch Gemeinsamkeiten. Bei beiden wird Kohlenstoffdioxid an PEP (Phosphoenolpyruvat) fixiert. Zudem findet bei beiden eine Vorfixierung des Kohlenstoffdioxids statt.

    Das ist nicht zu verwechseln mit der C3-Fotosynthese, hier wird Kohlenstoffdioxid an Ribulose-1,5-bisphosphat fixiert.

  • Bestimme die Reihenfolge des Calvin- Zyklus.

    Tipps

    Der Calvin-Zyklus lässt sich in die drei Phasen unterteilen: $CO_2$-Fixierung, Reduktion und Regeneration.

    Als Folge der Reduktion entsteht Glucose.

    Lösung

    Der Calvin-Zyklus findet als Sekundärreaktion im Stroma der Chloroplasten statt. Das in der Lichtreaktion gebildete NADPH und ATP wird hierbei benötigt. Außerdem benötigt wird Kohlenstoffdioxid.

    Er wird in drei Phasen untergliedert:

    1. Phase ist die Fixierung des Kohlenstoffdioxids (Carboxylierung).
    Das $CO_2$ wird durch die RUBISCO auf Ribulose-1,5-bisphosphat übertragen.
    1. Phase ist die Reduktionsphase.
    Hierbei zerfällt der entstandene C6-Körper rasch in zwei C3-Körper. Mit Hilfe von ATP wird 3-Phosphoglycerat in 1,3-Bisphosphoglycerat umgewandelt. Dieses wird reduziert zu Glycerinaldehy-3-phosphat. Eines dieser Glycerinaldehy-3-phosphate wird ausgeschleust, daraus wird u.a. Glucose.

    Die 3. Phase ist die Regeneration des $CO_2$-Akzeptors. Hierbei werden die übrigen Glycerinaldehy-3-phosphate wieder zu Ribulose-1,5-bisphosphat umgewandelt. Der Kreislauf beginnt von vorne.

  • Erkläre, warum ein Kaktus morgens sauer schmecken würde.

    Tipps

    Salze der Apfelsäure nennt man Malate.

    Lösung

    Bei den Sukkulenten ist die Vorfixierung des $CO_2$ zeitlich getrennt. $CO_2$ wird nachts fixiert, denn zu diesem Zeitpunkt können die Stomata weit geöffnet werden. Am Tage wird das $CO_2$ dann aus Malat abgespalten und in den Calvin-Zyklus eingeschleust. Zwischenzeitlich wird das $CO_2$ in Form von Malat in den Vakuolen gespeichert. Hierbei sinkt der pH-Wert in den Vakuolen ab.

  • Ermittle die Vorteile der C4-Fotosynthese.

    Tipps

    Unter Fotorespiration versteht man die Lichtatmung. Die Spaltöffnungen werden in der Hitze der Sonne geöffnet, da nicht genügend $CO_2$ in der Pflanze vorhanden ist, um weiter Photosynthese zu betreiben. $CO_2$ kann dann aus der Luft aufgenommen werden.

    Da Rubisco auch als Oxygenase arbeitet, wird ein Teil der gebildeten C3-Körper wieder veratmet.

    Lösung

    Dr. Blume hat schon recht, eine große Vision der Pflanzenforschung ist es, den C4-Fotosyntheseweg auf C3-Pflanzen zu übertragen. Die C4-Pflanzen sind durch ihre Fotosynthese gut an heiße und trockene Standorte angepasst. Wichtige Kulturpflanzen wie Weizen und Reis sind an diesen Standorten als C3-Pflanzen im Nachteil. Sinkt die Fotosyntheseleistung, sinkt auch der Ertrag.

    Die C4-Pflanzen erreichen eine gute Fotosyntheserate, da sie die Verluste der Lichtatmung (=Fotorespiration) minimieren. Das geschieht dadurch, dass das Kohlenstoffdioxid nicht an Ribulose-1,5-bisphosphat gebunden wird, sondern direkt an PEP. Bei den C3-Pflanzen bindet $CO-2$, wie du gelernt hast, an Ribulose-1,5-bisphosphat. Ein Problem ist, dass die Rubisco nicht nur $CO_2$ fixiert, sondern auch Sauerstoff. Das hat zur Folge, dass der gebildete C3-Körper wieder „veratmet“ wird. Durch das hohe $CO_2$-Angebot in den Gefäßbündelzellen der C4-Pflanzen wird dort die Fotorespiration gering gehalten. In den Mesophyllzellen gibt es diese Konkurrenz erst gar nicht, da die PEP-Carboxylase keine Oxygenasereaktion katalysiert.

    Die C4-Fotosynthese läuft auch bei niedrigem $CO_2$-Gehalt ab. Dies ermöglicht es den Pflanzen, ihre Stomata bei Wasserknappheit länger geschlossen zu halten.