Calvin-Zyklus

Calvin-Zyklus – Einfach erklärt

Pflanzen sind autotrophe Organismen, was bedeutet, dass sie sich selbst ernähren können. Das machen Pflanzen über den Mechanismus der Fotosynthese (Photosynthese). Mithilfe von Lichtenergie, Wasser und Kohlenstoffdioxid können sie Glucose herstellen, um sich selbst mit Energie zu versorgen. Aber nicht nur Pflanzen können Photosynthese betreiben, sondern auch Algen und bestimmte Bakterien.

Die Fotosynthese gliedert sich in die lichtabhängige und lichtunabhängige Reaktion:

• Lichtabhängige ReaktionBei der Lichtreaktion wird Lichtenergie in Form von ATP gespeichert.
• Lichtunabhängige ReaktionBei der Dunkelreaktion wird ATP wiederum benötigt, um aus Kohlenstoffdioxid Zucker herzustellen.

Kohlenstoffdioxid wird über die Stomata (Spaltöffnungen) auf der Blattunterseite aufgenommen, mithilfe von ATP fixiert und zu Zucker umgewandelt. Da diese Prozesse einen Stoffwechselzyklus darstellen, wird dieser Teil auch nach seinem Entdecker, Melvin Calvin, Calvin-Zyklus genannt.

Mit dem Zucker aus der Fotosynthese können sich Pflanzen selbst ernähren. Die Verarbeitung dieses Zuckers findet dann bei der Zellatmung in den Mitochondrien statt. Dort wird der Zucker wieder aufgespalten, um Energie in Form von ATP, beispielsweise für das Wachstum der Pflanze, zu gewinnen. Ziel des Calvin-Zyklus ist es, durch Kohlenstoffdioxid-Fixierung Zucker für Pflanzen, bestimmte Bakterien oder Algen herzustellen.

Calvin-Zyklus - Ort der Reaktion

Reaktionsort für den Ablauf des Calvin-Zyklus ist das Stroma der Chloroplasten, während die Lichtreaktion in der Thylakoidmembran der Chloroplasten stattfindet. Die Teilreaktionen der Photosynthese finden zeitlich und räumlich getrennt statt. Das flüssige Stroma ähnelt dem Cytoplasma einer ganzen Zelle. Im Stroma liegen die Thylakoide und andere Kompartimente, wie beispielsweise ein Stärkekorn. Bei Bakterien, die Photosynthese betreiben können, findet der Calvin-Zyklus im Cytoplasma statt.

Abbildung 1: Aufbau eines Chloroplasten

Voraussetzungen für den Calvin-Zyklus

1. ATP als Energiequelle und als Reduktionsmittel aus der Lichtreaktion
2. Kohlenstoffdioxid, das durch die Stomata auf der Blattunterseite in das Innere des Blattes diffundiert

Calvin-Zyklus - Ablauf

Das Ziel des Calvin-Zyklus ist, Energie in Form von Glucose herzustellen. Beim Ablauf des Calvin-Zyklus wird hierfür Kohlenstoffdioxid assimiliert.

Das Schema des Calvin-Zyklus wird in 3 Phasen eingeteilt:

1. Kohlenstoff-Fixierung

2. Reduktion

3. Regeneration.

Abbildung 2: Ablauf des Calvin-Zyklus

Ausgangs-, End- und Akzeptormolekül des Calvin-Zyklus ist Ribulose-1,5-Bisphosphat (RuBP). Dieses Zuckermolekül besteht aus 5 Kohlenstoffatomen. Es verbindet sich unter Katalyse des Enzyms RuBisCO mit einem Kohlenstoffdioxid-Molekül zu einem sehr instabilen -Körper, der sofort in 2 -Körper zerfällt. Diese -Körper werden als 3-Phosphoglycerinsäure (3-PGS) bezeichnet.

2. Phase: Reduktion

Die zweite Phase des Calvin-Zyklus Schemas beginnt nach der Fixierung von Kohlenstoff. Nun beginnt eine Reihe von Reduktionsreaktionen. Jetzt kommen auch die Produkte der Lichtreaktion ins Spiel: ATP und NADPH. 3-Phosphoglycerinsäure reagiert im 1. Schritt unter Verbrauch von ATP zu ADP + P zu 1,3-Bisphosphoglycerinsäure. Das hier entstandene Molekül ist ebenfalls ein -Körper, allerdings wurde hier ein Phosphat angehängt. So kann man also auch sagen, dass im 1. Schritt 3-PGS mithilfe von ATP aktiviert wird.

Im 2. Schritt erfolgt die eigentliche Reduktion. Hierbei wird 1,3-Bisphosphoglycerinsäure mithilfe von NADPH+ + H+ zu Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) reduziert. Hierbei nimmt 1,3-Bisphosphoglycerinsäure 2 Elektronen und ein H+ auf. Dabei wird NADPH zu NADP+ + Pi oxidiert. Die Phosphatgruppe wird wieder abgespalten und es entsteht Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP).

ADP und NADP+ stehen nun der Lichtreaktion wieder zur Verfügung. Die beiden Reaktionen der Photosynthese bedingen sich demnach gegenseitig.

3. Phase: Regeneration

Diese Phase dient dazu, Ribulose-1,5-Bisphosphat (RuBP) wieder herzustellen, um erneut den Kreislauf zu durchlaufen. 2 von 12 gebildeten GAPs werden aus dem Zyklus geschleust, um Glucose herzustellen. 10 von 12 gebildeten GAP-Molekülen werden recycelt. Dazu ist auch hier wieder ATP nötig.

Nur 1/6 der gewonnen Glycerinaldehyd-3-phosphate (GAPs) werden für die Herstellung von Glucose verwendet. 5/6 werden hingegen zum Recycling des Ausgangsmoleküls Ribulose-1,5-Bisphosphat (RuBP) verwendet.

Durch Umwandlungsreaktionen entsteht aus dem Zyklus abgegebenem Glycerinaldehyd-3-phosphat der Zucker Glucose oder Fructose. Diese werden zum Beispiel für das Wachstum der Pflanze benötigt. Dafür werden diese Zucker wieder abgebaut und die frei werdende Energie wird aufgebraucht.

Wenn genügend Einfachzucker vorhanden sind, hat die Pflanze sogar die Möglichkeit, diese für die Herstellung von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen zu verwenden.

Bruttogleichung der Dunkelreaktion:

6 + 12 NADPH + 12 + 18 ATP → + 12 + 18 ADP + 18 + 6

Photorespiration im Calvin-Zyklus

Das Enzym RuBisCO hast du bereits als Schlüsselenzym für den Calvin-Zyklus kennengelernt. Das Enzym kann aber nicht nur Kohlenstoff binden (Carboxylierung), sondern auch Sauerstoff (Oxylierung). Wenn in der Zelle die Konzentration an Sauerstoff steigt und die Konzentration an Kohlenstoffdioxid gering ist, fixiert RuBisCO Sauerstoff anstatt Kohlenstoffdioxid.

Wenn RuBisCO Sauerstoff fixiert, entsteht ein Molekül 3-PGS und ein toxisches C2-Molekül (2-Phosphoglycolat), das nicht mehr für den Calvin-Zyklus verwendet werden kann. 2-Phosphoglycolat muss über Umwege und unter hohem Energieaufwand zu 3-PGS umgewandelt werden. Dieser Prozess ist sehr energieaufwändig, weshalb Pflanzen versuchen, diesen Prozess zu vermeiden. Photorespiration meint also die Umwandlung von einem toxischen C2-Molekül (2-Phosphoglycolat) zu dem C3-Körper 3-Phosphoglycerinsäure.