Photosynthese in Pflanzen: Lichtreak3on und Calvin- Benson Zyklus

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1 Photosynthese in Pflanzen: Lichtreak3on und Calvin- Benson Zyklus K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 1

2 Lernziele Grundprinzipien des Energiestoffwechsels verstehen Überblick über die Prozesse des zentralen Kohlenstoffmetabolismus Lichtreaktion der Photosynthese Calvin-Benson Zyklus der Photosynthese Photorespiration C4-Photosynthese, CAM-Photosynthese K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 2

3 Au au der Vorlesung Grundprinzipien der Energiekonservierung Prozesse des zentralen Kohlenstoffmetabolismus in Pflanzen (Photosynthese und Zellatmung) und deren Zusammenwirkung Fragen (3 min mit dem Nachbarn diskutieren und Antworten notieren) Lichtreaktion der Photosynthese: linearer und zyklischer Elektronentransport, Energietransfer in den Lichtsammelkomplexen, Au au eines Protonengradienten zur ATP Synthese, Mehler-Reaktion Fragen (3 min mit dem Nachbarn diskutieren und Antworten notieren) Calvin-Benson Zyklus der Photosynthese: CO 2 -Fixierung über die Rubisco Frage (3 min mit dem Nachbarn diskutieren und Antworten notieren) Photorespiration, C4-Photosynthese, CAM-Photosynthese Frage (3 min mit dem Nachbarn diskutieren und Antworten notieren) Gemeinsame Diskussion aller Fragen 3

4 Grundprinzipien der Energiekonservierung Wie konservieren Lebewesen Energie und wie machen sie diese für ihren Stoffwechsel verfügbar? Energie wird über den Zustand (das poten3elle Energieniveau) von Elektronen konserviert und erschlossen. Elektronen, die weniger fest gebunden sind, haben ein höheres poten3elles Energieniveau. Ihr Redoxpoten3al ist nega3ver. Analogie: Ein Mensch wird von der Gravita3onskraW des Mondes weniger angezogen als von der Gravita3onskraW der Erde. Er ist weniger fest gebunden. Hier kann er weiter springen. Sein poten3elles Energieniveau ist höher. Elektronen werden abhängig von den chemischen 4 EigenschaWen der beteiligten Atome/Moleküle unterschiedlich fest gebunden.

5 Elektronen können entlang ihres Redoxgefälles unter Freisetzung von Energie von einem hohen auf ein niedriges Energieniveau verschoben werden. - Hohes Energieniveau Redoxpotential Energie (z.b. ATP) e - Energie (z.b. ATP) e - Energieniveau + Niedriges Energieniveau Werden Elektronen entgegen ihres Redoxgefälles von einem niedrigen auf ein hohes Energieniveau angehoben, muss Energie inves3ert werden. Diese Energie kann z.b. ATP aber auch Sonnenlicht sein. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 5

6 Drei Energiekonservierungsmechanismen stehen zur Verfügung: 1) Substratkebenphosphorylierung 2) Chemiosmose 3) Elektronenbifurka3on K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 6

7 1) Substratke,enphosphorylierung Energiereiche Verbindungen werden zu energieärmeren Verbindungen umgesetzt. Die freiwerdende Energie wird als ATP gespeichert. Z.B. Oxida3on eines Aldehyds zu einer Carbonsäure (ATP generierender Schrib in der unteren Glykolyse). Das Elektronenpaar wird von dem C- H Paar der Carbonyl- Gruppe weniger fest gebunden als von dem C- O Paar in der Carboxyl- Gruppe, weil O elektronega3ver ist als H und die Elektronen damit stärker anzieht. Energie Carbonyl- Gruppe Carboxyl- Gruppe NAD Pi NADH ADP 3PG-kinase GAP-DH Glycerinaldehyd- 3P (Aldehyd) ATP 1,3 BP-Glycerat 3P-Glycerat (Carbonsäure) Metzler; Biochemistry1977 K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 7

8 2) Chemiosmose (Peter Mitchell 1961) Zwei Komponenten: 1) membrangebundenes System, das eine Redoxreak3on ausführt 2) ATP- Synthase - - Ein Donor überträgt ein Elektron an einen Akzeptor, der dieses Elektron fester bindet (mit einem höheren Redoxpoten3al) Die Energie, welche in diesem Redoxprozess freigesetzt wird, wird genutzt, um Protonen (H + ) über eine Membran zu transpor3eren. Ein Protonengradient wird gebildet. Bill Martin Die Protonen fließen entlang des Konzentra3onsgradienten durch die ATP Synthase zurück, welche ADP zu ATP phosphoryliert. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 8

9 3) Elektronenbifurka<on Zwei Elektronen eines Moleküls mit gleichem Redoxpoten3al werden auf zwei verschiedene Energieniveaus gebracht. Die Bergab- Reak3on katapul3ert die verbleibende Verbindung auf ein höheres Energieniveau (Bergauf- Reak3on), so dass die zweite Elektronenübertragung auf einen Akzeptor erfolgen kann, der ein höheres Energieniveau hat als der ursprüngliche Elektronendonor. Redoxpotential (Energie) - + e - e - K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 9

10 Zusammenfassung Energiestoffwechsel Organismen konservieren Energie über Substratkebenphosphorylierung, Chemiosmose oder Elektronenbifurka3on. In allen Fällen wird Energie über eine Modifika3on des poten3ellen Energieniveaus von Elektronen konserviert. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 10

11 Zentraler Kohlenstoffmetabolismus in Pflanzen Zusammenwirkung von Photosynthese und Zellatmung K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 11

12 Das Leben auf der Erde wird substantiell durch einen Kreislauf aus Photosynthese und Zellatmung angetrieben. In der Photosynthese werden Elektronen aus dem Wasser mit Lichtenergie angeregt und es wird ATP erzeugt. Die angeregten Elektronen und das ATP werden verwendet um CO 2 zu Kohlenhydraten zu reduzieren. Die Zellatmung setzt die gespeicherte Sonnenenergie als ATP wieder frei. In der Atmung werden die Elektronen zurück auf Sauerstoff übertragen, so dass wieder Wasser entsteht. 12

13 Photoautotrophe (Pflanzen) Heterotrophe (Tiere) In Pflanzen laufen Photosynthese UND Zellatmung ab! (In Tieren nur die Zellatmung.) K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 13

14 Zusammenwirkung von Photosynthese und Zellatmung Welche Prozesse sind in den zentralen Kohlenstoffmetabolismus der Pflanzen involviert? K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 14

15 Lichtreak3on der Photosynthese In der Lichtreak3on der Photosynthese werden Elektronen aus der Wasserspaltung angeregt und in den photosynthe3schen Elektronentransport gespeist. Die Lichtreak3on liefert Reduk3onsäquivalente in Form von Ferredoxin bzw. NADPH und das Energieäquivalent ATP. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 15

16 Calvin- Benson Zyklus der Photosynthese NADPH und ATP aus der Lichtreak3on werden im Calvin- Benson Zyklus für die Fixierung von CO 2 und die Synthese von Kohlenhydraten (z.b. Glukose) und anderen Intermediaten verwendet. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 16

17 Glykoly3sche Routen der Zellatmung Über verschiedene glykoly3sche Routen wird Glucose im Cytosol zu Pyruvat umgesetzt. Dabei werden NAD(P)H und ATP, die zuvor im Calvin- Benson Zyklus inves3ert wurden, wieder frei. Die glykoly3schen Routen liefern außerdem Stoffwechsel- Intermediate. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 17

18 Zitratzyklus der Zellatmung Im Zitratzyklus in der Mitochondrienmatrix können die Kohlenhydrate unter Bildung von ATP und NADH kompleb zu CO 2 oxidiert werden. Es werden außerdem eine Vielzahl von Intermediaten gebildet. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 18

19 Atmungskebe der Zellatmung In der Atmungskebe der Mitochondrienmembran werden die Elektronen über eine Elektronentransportkebe von NAD(P)H zurück auf Sauerstoff übertragen. Hierbei entstehen 34 ATP pro Molekül Glukose. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 19

20 Zusammenfassung Zusammenwirken von Photosynthese und Zellatmung In der Photosynthese wird Sonnenenergie genutzt, um Elektronen anzuregen, die einen Teil ihrer Anregungsenergie über den photosynthe3schen Elektronentransport in Form von ATP speichern und außerdem Reduk3onsäquivalente bilden. ATP und Reduk3onsäquivalente aus der Lichtreak3on werden genutzt, um CO 2 im Calvin- Benson Zyklus zu Kohlenhydraten zu reduzieren. Diese Kohlenhydrate werden in der Zellatmung oxidiert, wobei ATP und Reduk3onsäquivalenten zurück gewonnen werden. Sowohl im Calvin- Benson Zyklus als auch in den glykoly3schen Wegen und dem Zitratzyklus entstehen zahlreiche Intermediate für die Synthese von Febsäuren, Aminosäuren und Nukleo3den. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 20

21 Fragen zum Energiestoffwechsel und zum zentralen Kohlenstoffwechsel in Pflanzen K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 21

22 Lichtreak3on der Photosynthese K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 22

23 Die Lichtreak3on der Photosynthese ist in der Thylakoidmembran der Chloroplasten lokalisiert, der Calvin- Benson Zyklus im Chloroplastenstroma Thyklakoidmembran Thyklakoidlumen Stroma Granastapel aus Thylakoiden Stromalamelle K. Gutekunst 23

24 Komponenten des photosynthe3schen Elektronentransportes angeregte Chlorophyllmoleküle P*700 A 0 A 1 Chlorophylle EnergiepotenJal der Elektronen P*680 Phäophy3n Q A Q B Chlorophyll ohne Mg Quinone QH 2 Hydroquinon Cytb 6 f Cyt b Komplex Rieske- Protein Cyt f H + Plastocyanin ReakJonszentrum mit Chlorophyllpaar P680 PC P700 Photosystem I F x F B F A 4Fe4S Cluster Ferredoxin (2Fe2S Cluster) NADPH LHC I P680 Photosystem II K. Gutekunst Antenne Lichtsammelkomplex II (LHC II) biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese ReakJonszentrum mit Chlorophyllpaar P700 24

25 Energietransfer in den Lichtsammelkomplexen über Fluoreszenz Resonanz Energie Transfer (FRET) Die Lichtsammelkomplexe binden Caro3noide, Chlorophyll b und Chlorophyll a. Photon Photon Photon Im Reak3onszentrum findet sich ein Chlorophyll a Paar, das im PSII Licht bei 680 nm (P 680) und im PSI bei 700 nm (P700) absorbiert. Das Licht regt Chlorophyllmoleküle in den Lichtsammelkomplexen an. P680 PSII Die Anregungsenergie wird über Fluoreszenz Resonanz Energie Transfer (FRET) weitergegeben. Die Absorp3onsmaxima der Pigmente unterscheiden sich. Die Anregungsenergie wird in Richtung längerer Wellenlängen weitergegeben und landet schließlich im P680 bzw. P700 Paar. K. Gutekunst 25

26 Was passiert genau, wenn Pigmente durch Licht (Photonen) angeregt werden? Durch Licht angeregte Elektronen gelangen in den Pigmenten auf ein höheres Energieniveau Grundzustand - hohes Energieniveau (S 0 ) Fluoreszenz angeregter Zustand (S 1 ) Das angeregte Elektron fällt in seinen Grundzustand zurück und gibt seine Energie als Fluoreszenz frei. - + Das angeregte Elektron wird auf einen Elektronenakzeptor übertragen. niedriges Energieniveau Das angeregte Elektron fällt in seinen Grundzustand zurück und gibt seine Energie als Fluoreszenz frei. Die Fluoreszenz regt das Elektron eines benachbarten Moleküls an (=FRET) K. Gutekunst Elektronenakzeptor FRET (Förster Resonance Energie Transfer) 26

27 P*680 Phäophy3n Die Pigmente im Lichtsammelkomplex geben ihre Anregungsenergie über FRET weiter (physikalischer Prozess). Hierbei werden keine Elektronen übertragen! Photon Photon Photon Das angeregte P680 Molekül gibt jedoch sein angeregtes Elektron an Phäophy3n weiter. Die Lichtenergie wird an dieser Stelle in chemische Energie umgewandelt. Im P680 bleibt eine Elektronenlücke zurück. P680 Photosystem II K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 27

28 P*680 Phäophy3n Photon Die Elektronenlücke im P680 wird durch Elektronen aus der Wasserspaltung geschlossen. Es entsteht Sauerstoff. Photon Photon P680 4e - 2 H 2 O O 2 + 4H + K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 28

29 Im weiteren Verlauf der Photosynthese gelangen die Elektronen entlang eines Redoxgefälles bis zum Plastocyanin (PC). P*700 A 0 A 1 P*680 F x EnergiepotenJal der Elektronen Phäophy3n Q A Q B QH 2 H + Cyt Cytb 6 f b Komplex Rieske- Protein Cyt f PC F A F B Ferredoxin (2Fe2S Cluster) NADPH P700 P680 Photosystem II Photosystem I Das Plastocyanin schließt die Elektronenlücke im P700. Hier wird das Elektron erneut durch Licht angeregt und reduziert schließlich Ferredoxin bzw. NADP zu NADPH. 29

30 Das Redoxgefälle zwischen QH 2 und PC wird genutzt, um Protonen über die Thylakoidmembran zu transpor3eren und schlussendlich ATP zu bilden. P*700 A 0 A 1 P*680 F x EnergiepotenJal der Elektronen Phäophy3n Q A Q B QH 2 H + Cyt Cytb 6 f b Komplex Rieske- Protein Cyt f PC F A F B Ferredoxin (2Fe2S Cluster) NADPH P700 Photosystem I P680 Photosystem II biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 30

31 Wie werden mibels des Quinon- Pools Protonen über die Membran transpor3ert? 1e - 1e -, 2H + inon (Q) Semiquinon (Q - ) Hydroquinon (QH 2 ) Quinon kann mit einem Elektron zu Semiquinon und einem weiteren Elektron zu Hydroquinon reduziert werden. Im zweiten Schrib werden zwei Protonen aufgenommen. Über eine Aufnahme und Abgabe von Elektronen, können die Quinone Protonen aufnehmen und abgeben und über die Thyklakoidmembran transpor3eren. Das Quinon Q A ist fest an PSII gebunden. Q B ist locker an PSII gebunden und diffundiert im reduzierten Zustand in die Thylakoidmembran. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 31

32 Elektronentransport und Q- Zyklus am Cytb 6 f Komplex zum Autau eines Protonengradienten 1. QH 2 2 H + Stroma Lumen Q A PS II 2e - Q B 2) Ein zweites QH 2 vom PSII überträgt abermals beide Elektronen auf den Cytb 6 f Komplex. In diesem Schrib kann das Semichinon zum Hydrochinon reduziert werden und zwei zusätzliche Protonen aus dem Stroma aufnehmen und ins Lumen transpor3eren. Insgesamt werden 4 Protonen pro 2 Elektronen, die zum P700 gelangen über die Membran transpor<ert. QH 2 2. QH 2 Stroma Lumen Q A PS II 2e - Q B Cytb 6 f Komplex 1e - Cyt b 1e - QH 2 1e - Rieske- Protein Cyt f Thylakoidmembran 2 H + Q - Q 2 H + QH 2 PC 2 H + Cytb 6 f QH 2 Komplex 1e - Cyt b 1e - QH 2 1e - Rieske- Protein Cyt f 4 H + Q - 1) Nachdem Q A zwei Elektronen auf Q B übertragen hat, nimmt dieses zwei Protonen aus dem Stroma auf und bindet als QH 2 am Cytb 6 f Komplex. QH 2 gibt eines seiner Elektronen in den linearen Transport über das Rieske- Protein und Cyt f zum PC und weiter zu PSI. Das andere Elektron wird auf Cyt b übertragen. Cyt b reduziert ein Chinon zum Semiquionon. Thylakoidmembran PC 32

33 Autau eines Protonengradienten zur ATP- Synthese Wasserspaltung und Protonentransport über den Cytb 6 f Komplex erhöhen die Protonenkonzentra3on im Thylakoidlumen. Durch die Reduk3on von NADP zu NADPH werden zusätzlich Protonen im Stroma gebunden. Insgesamt wird so ein Protonengradient über der Thylakoidmembran aufgebaut, der die ATP- Synthase antreibt. Für die Synthese von 1 ATP werden 3 H + benö3gt. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 33

34 Zyklischer Elektronentransport e - Um die ATP- Ausbeute der Photosynthese zu erhöhen, können Elektronen im zyklischen Elektronentransport von Ferredoxin zurück zum Quinon und weiter über den Cytb6f Komplex transpor3ert werden. Über das Verhältnis von linearem zu zyklischem photosynthe3schen Elektronentransport 34 können Zellen das Verhältnis von produziertem NADPH zu ATP kontrollieren.

35 Wenn die photosynthe3sche Elektronentransportkebe überreduziert ist, können überschüssige Anregungsenergie oder überschüssige Elektronen auf Sauerstoff übertragen werden, so das reak3ve Sauerstoffspezies (reac3ve oxygen species: ROS) entstehen. Da ROS Membranen und Proteine schädigt, haben Pflanzen viele Schutzmechanismen entwickelt, um dessen Bildung zu verhindern. ROS wird in erster Linie über angeregte Chlorophylle in der Antenne des PSII und bei hohem Reduk3onsgrad von Ferredoxin am PSI (Fx) gebildet. ROS ROS K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 35

36 Schutzmechanismen am PSI Mehler Reak<on (Wasser- Wasser- Zyklus) Elektronen aus der Wasserspaltung werden zurück auf Wasser übertragen, um überschüssige Elektronen zu verbrauchen K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 36

37 Die Mehler Reak3on in Detail 2 O 2 2 O 2.- Superoxid Superoxid- Dismutase SOD 2 H + O 2 H 2 O 2 Wasserstoffperoxid e - Mehler- ReakJon 2 Ascorbat 2 Monodehydro- ascorbat Ascorbat- Peroxidase 2 H 2 O K. Gutekunst Wenn Ferredoxin reduziert ist und keine Elektronen mehr aufnehmen kann, können Elektronen am PSI auf O 2 übertragen werden, so dass Superoxid (O 2.- ) entsteht. Die Superoxid- Dismutase dispropor3oniert O 2.- zu H 2 O 2. Das An3oxidans Ascorbat (Vitamin C) reduziert H 2 O 2 zu H 2 O wobei Monohydroascorbat entsteht, welches von Ferredoxin wieder zu Ascorbat reduziert wird. biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 37

38 Zusammenfassung Lichtreak3on der Photosynthese Elektronen aus der Wasserspaltung werden am PSII und ein zweites Mal am PSI durch Licht angeregt. In den Antennen wird die Lichtenergie über FRET (Resonanz Energie Transfer) weitergegeben. P680 im PSII überträgt Elektronen auf Phäophy3n und wandelt die Lichtenergie damit in chemische Energie um. Die angeregten Elektronen werden in eine photosynthe3sche Elektronentransportkebe eingespeist, an dessen Ende NADP zu NADPH reduziert wird. Quinon wird am PSII zur Hydroquinon reduziert und transloziert Protonen vom Chloroplastenstroma ins Thylakoidlumen. Über den entstehenden Protonengradient wird ATP erzeugt. Neben dem linearen Elektronentransport exis3ert ein zyklischer Elektronentransport um PSI, um bei Bedarf die ATP- Ausbeute zu erhöhen. Überschüssige Anregungsenergie kann über die Mehler- Reak3on abgebaut werden, um die Entstehung von reak3ven Sauerstoffspezies zu verhindern. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 38

39 Fragen zur Lichtreak3on der Photosynthese K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 39

40 Calvin- Benson Zyklus der Photosynthese ATP und NADPH aus der Lichtreak3on der Photosynthese werden im Calvin- Benson Zyklus genutzt, um CO 2 zu fixieren und zu Kohlenhydraten zu reduzieren. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 40

41 Calvin- Benson Zyklus 3. Regenera3on 1. Carboxylierung von Ribulose- 1,5 BP; Bildung von zwei Molekülen 3P- Glycerat 2. Reduk3on von 3P- Glycerat zu GAP 3. Regenera3on von Ribulose- 1,5 BP 1. Carboxylierung K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese Reduk3on

42 Ribose- 5P Isomerase ATP ADP Calvin- Benson Zyklus Ribose- 5P Xylulose- 5P Ribulose- 5P Epimerase Ribulose- 5P Phosphoribulo kinase Transketolase Pi H 2 O S1,7BPase Ribulose- 5P Epimerase Ribulose- 1,5 BP Glycerinaldehyd- 3P Seduheptulose- 7 P Seduheptulose- 1,7 BP Rubisco CO 2 Fruktose- 6 P Pi F1,6BPase H 2 O Aldolase Aldolase Erythrose- 4P Dihydroxyaceton- P 3P- Glycerat Xylulose- 5P PGK ATP NADP NADPH Fruktose- 1,6 BP ADP GAPDH K. Gutekunst (Chloroplast) 42 Dihydroxyaceton- P Glycerinaldehyd- 3P 1,3 BP- Glycerat

43 Calvin- Benson Zyklus Ribose- 5P Isomerase ATP ADP Carboxylierung Ribose- 5P Ribulose- 5P Epimerase Xylulose- 5P Ribulose- 5P Phosphoribulo kinase Transketolase Pi H 2 O S1,7BPase Ribulose- 5P Epimerase Ribulose- 1,5 BP Glycerinaldehyd- 3P Seduheptulose- 7 P Seduheptulose- 1,7 BP Rubisco CO 2 Fruktose- 6 P Pi F1,6BPase H 2 O Aldolase Aldolase Erythrose- 4P Dihydroxyaceton- P 3P- Glycerat Xylulose- 5P PGK ATP NADP NADPH Fruktose- 1,6 BP ADP GAPDH K. Gutekunst (Chloroplast) 43 Dihydroxyaceton- P Glycerinaldehyd- 3P 1,3 BP- Glycerat

44 1) Carboxylierung von Ribulose- 1,5 bisphosphat Tautomerisierung CO 2 Ribulose- 1,5 bp (Ketoform) 3- KetoarabiJnol- 1,5 bp (Enolform) 2- Carboxy 3- KetoarabiJnol- 1,5 bp 2 Moleküle 3 P- Glycerat Ribulose - 1,5 bp bindet an Rubisco (Ribulose- 1,5 bp- Carboxylase- Oxygenase) und tautomerisiert zu seiner Enolform. CO 2 bindet an das 2.- Atom und bildet ein 6- Kohlenstoffintermediat, das spontan zu zwei Molekülen 3- P- Glycerat zerfällt. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 44

45 Calvin- Benson Zyklus Ribose- 5P Isomerase ATP ADP Reduk<on von 3P- Glycerat zu GAP Ribose- 5P Ribulose- 5P Epimerase Xylulose- 5P Ribulose- 5P Phosphoribulo kinase Transketolase Pi H 2 O S1,7BPase Ribulose- 5P Epimerase Ribulose- 1,5 BP Glycerinaldehyd- 3P Seduheptulose- 7 P Seduheptulose- 1,7 BP Rubisco CO 2 Fruktose- 6 P Pi F1,6BPase H 2 O Aldolase Aldolase Erythrose- 4P Dihydroxyaceton- P 3P- Glycerat Xylulose- 5P PGK ATP NADP NADPH Fruktose- 1,6 BP ADP GAPDH K. Gutekunst (Chloroplast) 45 Dihydroxyaceton- P Glycerinaldehyd- 3P 1,3 BP- Glycerat

46 2) Reduk3on von 3P- Glycerat zu Glyceraldehyd- 3P (GAP) Die Sonnenenergie wird in Form von ATP und NADPH genutzt, um eine Carboxylgruppe zu einer Carbonylgruppe zu reduzieren. In dieser Carbonylgruppe ist die Sonnenenergie gespeichert. Carboxyl- Gruppe Carbonyl- Gruppe ATP ADP NADPH NADP Pi 3PG-kinase GAP-DH Glycerinaldehyd- 3P 1,3 BP-Glycerat 3P-Glycerat (Aldehyd) (Carbonsäure) (Substratkebenphosphorylierung der Glykolyse in umgekehrter Richtung!) K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 46

47 Calvin- Benson Zyklus Ribose- 5P Isomerase ATP ADP Regenera<on von Ribulose- 1,5 BP Ribose- 5P Xylulose- 5P Ribulose- 5P Epimerase Ribulose- 5P Phosphoribulo kinase Transketolase Pi H 2 O S1,7BPase Ribulose- 5P Epimerase Ribulose- 1,5 BP Glycerinaldehyd- 3P Seduheptulose- 7 P Seduheptulose- 1,7 BP Rubisco CO 2 Fruktose- 6 P Pi F1,6BPase H 2 O Aldolase Erythrose- 4P Dihydroxyaceton- P 3P- Glycerat Aldolase Xylulose- 5P Fruktose- 1,6 BP K. Gutekunst Dihydroxyaceton- P NADP NADPH biol 111 Pflanzenphysiologie GAPDH - Photosynthese (Chloroplast) Glycerinaldehyd- 3P 1,3 BP- Glycerat PGK ATP ADP 47

48 Aldolase, Transketolase, Isomerase und Epimerase katalysieren reversible Reak3onen. Die Reak3onen befinden sich nah am thermodynamischen Gleichgewicht. Regenera<on von Ribulose- 1,5 BP K. Gutekunst 48

49 Ob eine Reak3on, die dicht am thermodynamischen Gleichgewicht liegt, in die eine oder die entgegengesetzte Richtung abläuw, hängt in erster Linie davon ab, wie hoch die Konzentra3on vom Substrat rela3v zum Produkt ist. Substrat Produkt Substrat Produkt Substrat Produkt K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 49

50 Wie kann erreicht werden, dass ein Stoffwechselweg in eine gewünschte Richtung läuw und nicht nur auf die Konzentra3onen von Substrat und Produkt reagiert? Schlüsselenzyme katalysieren Reak3onen, die einen Stoffwechselweg in eine bes3mmte Richtung lenken. In der Regel katalysieren sie stark exergone Reak3onen (bei denen Energie frei wird), die irreversibel sind. Die Ak3vierung dieser Schlüsselenzyme wird reguliert. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 50

51 Schlüsselenzyme des Calvin- Benson Zyklus, die stark exergone, irreversible Reak3onen katalysieren. H 2 O Pi Fructose- 1,6BPhosphatase Frutose- 1,6BP Fructose- 6P H 2 O Pi Seduheptulose- 1,7BPhosphatase Seduheptulose- 1,7BP Seduheptulose- 7P Durch die Inves33on von ATP ist die Phosphorylierung von Ribulose- 5P ebenfalls irreversibel. ATP ADP Phosphoribulokinase K. Gutekunst Ribulose- 5P Ribulose- 1,5BP 51

52 Ribose- 5P Isomerase ATP ADP Schlüsselenzyme des Calvin- Benson Zyklus Ribose- 5P Ribulose- 5P Epimerase Xylulose- 5P Ribulose- 5P Phosphoribulo kinase Transketolase Pi H 2 O S1,7BPase Ribulose- 5P Epimerase Ribulose- 1,5 BP Glycerinaldehyd- 3P Seduheptulose- 7 P Seduheptulose- 1,7 BP Rubisco CO 2 Fruktose- 6 P Pi F1,6BPase H 2 O Aldolase Aldolase Erythrose- 4P Dihydroxyaceton- P 3P- Glycerat Xylulose- 5P PGK ATP NADP NADPH Fruktose- 1,6 BP ADP GAPDH K. Gutekunst (Chloroplast) 52 Dihydroxyaceton- P Glycerinaldehyd- 3P 1,3 BP- Glycerat

53 Die blau markierten Enzyme werden durch das Ferredoxin- Thioredoxin System reguliert. Reduziertes Ferredoxin und NADPH aus der Lichtreak3on ak3vieren die Enzyme des Calvin- Benson Zyklus. Deshalb läu[ der Calvin- Benson Zyklus nur im Licht ab (Dunkelreak3on ist eine verwirrende Bezeichnung für diesen Zyklus und sollte (bibe insbesondere in der Schule!) vermieden werden). Wedel & Soll 1998 Michelet 2013 K. Gutekunst 53

54 Ferredoxin- Thioredoxin- System (Signal für Licht bzw. laufende Photosynthese) Reduziertes Ferredoxin (Fd) reduziert Thioredoxin (TRX). Oxidiertes Thioredoxin enthält eine Disulfidbrücken, die reduzierte Form jedoch zwei SH- Gruppen. Reduziertes Thioredoxin reduziert das Zielenzym (target), welches dadurch entweder ak3viert oder inak3viert wird. K. Gutekunst 54 Michelet 2013

55 Neben Glukose, Stärke und 3P Glycerat liefert der Calvin-Benson Zyklus Vorstufen ür die Synthese sämtlicher Nukleotide und Aminosäuren. Ribose (RNA, DNA) Trp, Tyr, Phe 55 Stärke Glucose- 1P PGM Glucose- 6P PGI Ser, Gly, Cys Trp, Tyr, Phe Asp, Asn, Lys, Thr, Met, Ile, Leu, Val, Pro, Glu, Gln, Arg, His Oxaloacetate Ala K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 55 CO 2 PEPC

56 Zusammenfassung Calvin- Benson Zyklus der Photosynthese Im Calvin- Benson Zyklus der Photosynthese wird CO 2 fixiert, Sonnenenergie aus der Lichtreak3on konserviert und der Akzeptor für CO 2 regeneriert. Es werden zahlreiche Vorstufen für Zellbestandteile synthe3siert und aus dem Zyklus ausgeschleust. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 56

57 Fragen zum Calvin- Benson Zyklus K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 57

58 Photorespira3on K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 58

59 Oxygenierung von Ribulose- 1,5 bp (Rubisco: Ribulose- 1,5 BP Carboxylase Oxygenase) H 2 O H 2 O Tautomerisierung O 2 2 P- Glycolat Ribulose- 1,5 bp (Ketoform) 3- KetoarabiJnol- 1,5 bp (Enolform) 2- Hydroxyperoxy 3- KetoarabiJnol- 1,5 bp 3 P- Glycerat Rubisco hat eine höhere Affinität zu CO 2 als zu O 2. Unsere heu3ge Atmosphäre enthält jedoch 20.95% O 2 aber nur 0.04% CO 2. Daher wird in C 3 - Pflanzen etwa jedes 3. bis 4. Molekül RuBP oxygeniert und nicht carboxyliert. Bei der Oxygenierung entsteht neben einem Molekül 3 P- Glycerat auch ein Molekül 2 P- Glycolat, welches zum einen nicht im Calvin- Benson Zyklus verwendet werden kann und außerdem als Inhibitor der Photosynthese wirkt. K. Gutekunst 59

60 Photorespira<on (Glykolat- Zyklus; C 2 - Zyklus, Rückgewinnungsprozess von Kohlenstoff) - Regeneriert aus zwei Molekülen 2P- Glycolat ein Molekül 3P- Glycerat. Dabei wird ein CO 2 freigesetzt. Durch die Regenera3on werden zumindest 75 % des Kohlenstoffs aus den beiden Molekülen 2P- Glycolat zurückgewonnen Enzyme in drei Kompar3menten (Chloroplasten, Peroxisomen, Mitochondrien) sind an der Photorespira3on beteiligt. Die Photorespira3on ist ein energieverbrauchenden Prozess, in dem ATP benö3gt wird. Bis zu 50 % des fixierten CO 2 kann über die Photorespira<on verloren gehen. Insgesamt mindert dieser Prozess die mögliche maximale Effizienz der Photosynthese erheblich. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 60 Hagemann 2016

61 Photorespira<on 2 Moleküle 2P- Glycolat aus der Oxygenierungsreak3on der Rubisco werden unter Abspaltung von CO 2 und ATP- Verbrauch in Chloroplast, Peroxisom und Mitochondrium zu einem Molekül 3P- Glycerat regeneriert. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 61

62 C 4 - und CAM- Photosynthese K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 62

63 Um die Oxygenase- Ak3vität der Rubisco und den damit verbundenen Kohlenstoff- Verlust durch die Photorespira3on zu vermindern, haben Pflanzen Mechanismen entwickelt, welche die CO2- Konzentra3on um die Rubisco herum erhöhen. Zu diesem Zweck wird CO2 durch die PEP- Carboxylase vorfixiert, die eine höhere Affinität zu CO2 hat als die Rubisco. 1) C4 Photosynthese (z.b. Mais) Räumliche Trennung von CO2- Fixierung und CO2- AssimilaJon 2) CAM (Crassulaceensäure- Stoffwechsel) Temporäre Trennung von CO2- Fixierung und CO2- AssimilaJon K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 63

64 C4 Photosynthese Mesophyllzelle Bündelscheidenzelle In C4 Pflanzen (z.b. Mais, Zuckerrohr, Hirse, viele Gräser) sind die Leitbündel kranzförmig von einer Bündelscheide umgeben, an die das Mesophyll grenzt ( Kranzanatomie). Maisblab mit Kranzanatomie Furbank 2017 K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 64

65 C4 Photosynthese CO 2 wird von der PEP- Carboxylase (die eine höhere Affinität zu CO 2 hat als Rubisco) in den Mesophyllzellen vorfixiert. Es entsteht Oxalacetat, welches zu Malat reduziert und in die Bündelscheidenzellen transpor3ert wird. Hier wird Malat decarboxyliert und das CO 2 in den Bündelscheidenzellen über die Rubisco fixiert. Das enstandene Pyruvat wird zurück in die Mesophyllzelle transpor3ert und unter ATP- Verbrauch zu PEP umgesetzt. biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese K. Gutekunst 65

66 Die CO 2 Konzentra3on um die Rubisco ist in C4 Pflanzen drama3sch erhöht (Photorespira3on vernachlässigbar!). Die hohe CO 2 - Affinität der PEP- Carboxylase erlaubt CO 2 - Fixierung auch bei geringer CO 2 Konzentra3on in den Mesophyllzellen. Bei Trockenheit können die Stomata von C4 Pflanzen daher weniger weit geöffnet sein. Der H 2 O- Verlust durch Transpira3on wird vermindert. K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 66 verändert nach Held, 2008, Pflanzenbiochemie

67 CAM (Crassulaceensäure- Stoffwechsel) an trockenen, heißen Standorten verbreitet K. Gutekunst Die Stomata sind nur nachts geöffnet (Transpira3onsschutz); CO2 wird von der PEP- Carboxylase vorfixiert und als Malat in der Vakuole gespeichert. Am Tag wird Malat bei geschlossenen Stomata (Transpira3onsschutz) in die Chloroplasten transpor3ert, decarboxyliert und das CO2 über die Rubisco fixiert. 67

68 Fragen zur Photorespira3on, CAM und C4 Photosynthese K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 68

69 Antworten K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 69

70 Vielen Dank ür Ihre Aufmerksamkeit! K. Gutekunst biol 111 Pflanzenphysiologie - Photosynthese 70