Photosynthese und Kohlenstofffixierung

Die Photosynthese wandelt Lichtenergie in chemische Energie um und nutzt diese zur Fixierung von atmosphärischem Kohlendioxid in Zucker. Dieser Prozess ist die Grundlage für fast alles Leben und die atmungsaktive Atmosphäre.

Definition

Photosynthese ist die lichtgetriebene Synthese organischer Verbindungen aus Kohlendioxid und Wasser, und Kohlenstofffixierung ist die Einbindung von anorganischem Kohlendioxid in organische Moleküle, hauptsächlich durch den Calvin-Benson-Zyklus.

Scope

Dieses Thema behandelt die Lichtreaktionen der Thylakoidmembran (Photosysteme, Elektronentransport und ATP-Synthese), den Calvin-Benson-Zyklus der Kohlenstofffixierung durch Rubisco, die Photorespiration sowie die C4- und CAM-Anpassungen, die Kohlendioxid konzentrieren.

Core questions

• Wie wandeln die Lichtreaktionen Licht in ATP und NADPH um und setzen dabei Sauerstoff frei?
• Wie fixiert der Calvin-Benson-Zyklus Kohlendioxid zu Kohlenhydraten?
• Warum haben sich C4- und CAM-Mechanismen entwickelt, um die Einschränkungen von Rubisco zu überwinden?

Key theories

Z-Schema des photosynthetischen Elektronentransports

Licht energetisiert Elektronen nacheinander durch die Photosysteme II und I, spaltet Wasser zur Freisetzung von Sauerstoff und erzeugt den NADPH- und Protonengradienten, der die ATP-Synthese antreibt.

Kohlenstoff-Konzentrierungsmechanismen

Da Rubisco auch mit Sauerstoff reagiert, was zu verschwenderischer Photorespiration führt, konzentrieren C4- und CAM-Pflanzen Kohlendioxid räumlich oder zeitlich um Rubisco, um die Effizienz unter heißen oder trockenen Bedingungen zu verbessern.

Mechanisms

In der Thylakoidmembran oxidiert Photosystem II Wasser zu Sauerstoff und speist Elektronen über den Cytochrom-b6f-Komplex in Photosystem I ein, welches NADP+ zu NADPH reduziert; der gekoppelte Protonengradient treibt die ATP-Synthase an. Im Stroma fixiert Rubisco Kohlendioxid an Ribulose-1,5-bisphosphat, und der Calvin-Benson-Zyklus reduziert das Produkt unter Verwendung von ATP und NADPH zu Triosephosphat, während der Akzeptor regeneriert wird. C4-Pflanzen fixieren Kohlendioxid in Mesophyllzellen vorab in C4-Säuren und setzen es um Rubisco in Bündelscheidenzellen frei, während CAM-Pflanzen Kohlendioxid nachts fixieren, wobei beide die Photorespiration unterdrücken. Chlorophyllfluoreszenz bietet eine nicht-invasive Sonde für diese Reaktionen.

Clinical relevance

Die photosynthetische Effizienz begrenzt die Pflanzenproduktivität und Biomasse und ist somit ein zentrales Ziel zur Verbesserung der Ernährungssicherheit; der Prozess steuert auch, wie viel Kohlendioxid die Vegetation aus der Atmosphäre entfernt, wodurch er mit dem Klima verknüpft ist.

History

Hill zeigte, dass isolierte Chloroplasten Sauerstoff entwickeln konnten, Calvin und Benson kartierten den Kohlenstofffixierungszyklus mit Kohlenstoff-14, und Hatch und Slack beschrieben in den 1960er Jahren den C4-Weg, womit das moderne Bild der Photosynthese vervollständigt wurde.

Key figures

• Melvin Calvin
• Andrew Benson
• Robert Hill
• Marshall Hatch

Seminal works

• buchanan2015
• taiz2015

Frequently asked questions

Woher stammt der von Pflanzen freigesetzte Sauerstoff?

Der Sauerstoff stammt aus Wasser, das Photosystem II während der Lichtreaktionen spaltet; der freigesetzte Sauerstoff ist ein Nebenprodukt, während Wasserstoff und Elektronen zur Bildung von NADPH verwendet werden.

Warum sind C4-Pflanzen in heißen Klimazonen effizienter?

C4-Pflanzen konzentrieren Kohlendioxid um Rubisco, wodurch die Sauerstoff-fixierende Reaktion (Photorespiration) unterdrückt wird, die bei hohen Temperaturen kostspielig wird. Daher photosynthetisieren sie unter heißen, hellen Bedingungen effizienter.