Die Wege des Kohlenstoffes

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1 Die Wege des Kohlenstoffes 1. Licht vs. Dunkelreaktionen Lichtgetriebene Reaktionen o Dunkle -Reaktionen laufen nicht im Dunklen ab reduzieren CO 2-Zucker für Pflanzen zum Wachsen und für uns zum Nutzen der Pflanzen Laufen auch im Licht ab sind nur nicht direkt lichtabhängig, sondern ATP und NADPH abhängig Wichtige Formel! 2. Kohlenstoffe-Isotope Kohlenstoff tritt in mehreren Isotopen auf! o Häufigste: C 14 ( Jahre Halbwertszeit) Pulse -Markierungen Pulse-chase -Markierungen o Stabilere Form: C 12 C 13 Radioaktiver Zerfall o Zeitspanne, in der die Hälfte der bei t 0 vorhanden Atome zerfallen ist = Halbwertszeit o Halbwertszeit variiert bei jedem Element stark o Bsp.: C Jahre Pulse/Pulse-chase Methode zum Nachweis der chemischen, räumlichen und zeitlichen Änderung radioaktiv markierter Moleküle in Zellen Ablauf: 1. Radioaktiv markierte Moleküle werden für kurze Periode zugegeben 2. Auswaschen 3. Da sich markierte und unmarkierte Moleküle nur in der Masse des Atomkerns (Atom) unterscheiden, werden beide in gleicher Weise umgesetzt. 4. Zu verschiedenen Zeiten werden Proben entnommen, und die Änderung in der chemischen Form oder Lokalisation kann durch Messung der Radioaktivität bestimmt werden.

2 3. Analyse der Co 2-Fixierung Zunehmende Dauer der Photosynthese Muster der Photosynthese-Produkte werden komplexer Analyse erlaubt: Calvin-Zyklus Alle Reaktionen des Calvin-Zyklus sind In Vitro charakterisiert 4. Der Calvin Zyklus oder der reduktiver Pentosephosphat-Zyklus zyklische Folge von chemischen Umsetzungen, durch die Kohlenstoffdioxid (CO2) zu Glucose reduziert und assimiliert wird. 1. carboxylierende Phase a. Fixierung von CO2 2. reduzierende Phase a. Reduktion des primären Fixierungsproduktes (3-Phosphoglycerat) 3. regenerierende Phase a. Regeneration des CO2-Akzeptors (Ribulose-1,5- bisphosphat) Reduktionsmittel = NADPH (oxidiert zu NADP + ) Reduktion ist endergon o Quelle: ATP (ADP + Phosphat) Die Triosephosphate, Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat sind die ersten nutzbaren und exportierbaren Kohlenhydrate! Ribulose wird fixiert Co2 zerfällt nach 5s in Phosphoglycerat Dann erfolgt ATP aktivierte Reduktion (Triosephosphat) Regenerierung macht aus C3 2 C6 Körper um Co2 wieder fixieren zu können

3 Ribulose-1,5-bisphosphat Carboxylase/Oxygenase (RubisCO) katalysiert Carboxylierung von Ribulose-1,5-bisphosphat Bildung von zwei Molekülen 3- Phosphoglycerat (Übergangs C6 zerfällt sofort) Produziert Biomasse! Die Oxygenase-Aktivität der RubisCO katalysiert die Bildung von einem Molekül 3-Phosphoglycerat und einem Molekül 2-Phosphoglycolat und leitet die Photorespiration ein. Aktivierung der RubisCO Carboxylase-Aktivität durch Carbamoyliering und durch RubisCO-Aktivase RubisCO benötigt zur Aktivierung 1. MAGNESIUM 2. es darf sich nie erst das größere Molekül anlagern, da sonst CO2 nicht anlagern kann und die Reaktion nicht stattfindet 3. RuBP muss durch Rubisco-Aktivase entfernt werden 4. Carbonat 5. Alkalischer PH-Wert, da Protonentransport von Thylakoidmembran Stroma Aufbau des Calvin-Experiment

4 Ketoen(di)oltautomerie des Ribulose-1,5-bisphosphates Die durch RubisCO-katalysierte carboxylierende Phase

5 5. Zusammenfassung RubisCO RubisCO ist das am häufigsten vorkommende Enzym der Biosphäre!!! Hexadecamer (16-mer) aus: o acht identischen großen Untereinheiten (51-58 kda, plastomkodiert) o acht identischen kleinen Untereinheiten (12-18 kda, kernkodiert) katalytische Zentrum in der großen Untereinheit allosterische Aktivierung durch: o CO2 o Aktivierung durch Mg2+ o Aktivierung durch das Enzym RubisCO-Aktivase RubisCO ist ph reguliert (höhere Aktivität bei alkalischeren phwerten) o Aktivierung beim Übergang von ph 7 -> ph 8 Hemmung der RubisCO durch 3-Phosphoglycerat 6. Reduzierung des Calvin-Zyklus NADPH wird aus photosynthetischem Elektronentransport NADPH transportiert die C3 Körper Umgekehrte Reihenfolge bei Glycolyse Gleiche Reihenfolge bei Gluconeogenese

6 7. Ausschnürung der Chloroplasten Triosephosphatexport erfolgt über den Triosephosphattranslokator o Triosephosphat/ Phosphat- Antiporter Ort: o in der inneren Chloroplastenhüllen-membran 8. Rückblick des gesamten Calvin-Zyklus [vereinfacht] Zelle kann 1/6 des gebildeten Triosephosphates nutzen 9. Abschnitte des Calvin-Zyklus=regenerierende Phase 5/6 zur Regenerierung des CO2-1 Akzeptors Ribulose-1,5-3 bisphosphat verwendet 5 1. Transketolase spaltet C6 (Fructose) ab und erzeugt einen C3 und einen C5 C5 ist noch nicht final Transketolase erzeugt finale C5 Körper

7 Bildung der C6- bzw. C7-Zuckerbisphosphate Fructose-1,6-bisphosphat bzw. Sedoheptulose-1,7-bisphosphat durch Aldoladdition katalysiert durch Aldolase Aldolase 1 Aldolase 2 Identisch zur Reaktion der Gluconeogenese Dephosphorylierung von Fructose-1,6-bisphosphat zu Fructose-6-phosphat katalysiert durch Fructose-1,6-bisphosphatase [3] irreversibel durch Fructose-1,6- bisphosphatase katalysiert Ähnlich zur Reaktion in der Gluconeogenese (anderes Enzym) Dephosphorylierung von Sedoheptulose-1,7-bisphosphat zu Sedoheptulose-7-bisphosphat katalysiert durch Sedoheptulose-1,7-bisphosphatase [4]

8 Übertragung eines C2-Körpers durch Transketolase I [5] Transketolase: katalysiert die Übertragung eines C2-Körpers bei der reversiblen Bildung der C4- und C5-Zuckerphosphate Erythrose-4-phosphat und Xylulose-5-phosphat aus Fructose-6-phosphat und D-Glycerinaldehyd-3-phosphat Übertragung eines C2-Körpers durch Transketolase II [6] Transketolase: katalysiert die Übertragung eines C2-Körpers in der reversiblen Bildung der C5-Zuckerphosphate Ribose-5-phosphat und Xylulose-5-phosphat aus dem C7- Zucker Sedoheptulose-7-hosphat und aus dem C3-Triosephosphat D-Glycerinaldehyd-3- phosphat Diole (zweiwertige Alkohole): organische Verbindungen mit zwei alkoholische Hydroxygruppen ( OH) Die regenerierende Phase des Calvin-Zyklus (II) [7] Umwandlung von Pentosephosphaten zu Ribulose-5-phosphat Empimer Epimerase Isomer Isomerase Endiole: an beiden Kohlenstoffatomen einer C=C- Doppelbindung zwei Hydroxygruppen

9 Finale Regenerierung des CO2-Akzeptors durch Phosphorylierung von Ribulose-5-phosphat zu Ribulose-1,5-bisphosphat drittes ATP pro fixiertem CO2- Molekül im Calvin-Zyklus verbraucht! 10. Gesamtüberblick des Calvin-Zyklus

10 11. Die Regulationen der irreversibel katalysierten Reaktionen Positive Regulation Mg2+ ph (z.b. 8,0) Thioredoxin (teilweise) Negative Regulation Endprodukthemmung