Botanik an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf

Der Sauerstoff (6 O2) kommt aus dem Wasserspaltungskomplex der an dem Photosystem II sitzt, sprich aus dem Wasser.

2 H2O -> O2 + 4 H + + 4 e-

(Wasser als Elektronenlieferant -> Photolyse des Wassers -> O2 entsteht)

Unter der Epidermis liegt das sogenannte Palisadenparenchym. Hier befinden sich die meisten Chloroplasten.

Das Palisadenparenchym ist der Hauptort der Photosynthese. 

Die Zellen des Palisadenparenchyms haben eine längliche Form und sind zu einer Fläche angeordnet.

Das Enzym RuBisCO kann Kohlenstoffdioxid fixieren (=Carboxylierung) und Sauerstoff fixieren (=Oxygenierung). 

Dadurch geht dem Calvin-Zyklus ein Kohlenstoffatom „verloren“.

(Es entstehen statt zwei  C3 -Molekülen 3-Phosphoglycerinsäure (PGS), ein Molekül 3-PGS und ein C2 – Molekül (2-Phosphoglycolat)).

Letzteres muss in einem energieaufwendigen Weg in verschiedenen Zellorganellen (Mitochondrien und Peroxisomen ) zu 3-PGS umgewandelt werden. 

Denn nur dieses Molekül kann der Calvin-Zyklus weiter verstoffwechseln. 

Wiederverwertung des Kohlenstoffgerüstes bezeichnet man als Photorespiration oder Lichtatmung.

(Da er ziemlich viel Energie „verschwendet“, versuchen ihn Pflanzen nach Möglichkeit zu vermeiden.)

Besonders an heißen, trockenen Tagen kommt es häufig zur Photorespiration, da die Pflanzen ihre Spaltöffnungen schließen, damit kein Wasser verdunsten kann. 

Dadurch kann aber auch wenig Kohlenstoffdioxid aus der Luft in die Pflanzen gelangen und der Sauerstoffgehalt steigt im Vergleich zum  Kohlenstoffdioxidgehalt. 

Das wiederum führt dazu, dass das Enzym RubisCO auch öfter Sauerstoff an das Akzeptormolekül bindet. 

Photosynthesepigmente für Lichtaufnahme

- Es gibt 3 Gruppen: Chlorophylle (grün), Carotinoide (gelb, orange) und Phycobiline (rot und blau)

 Geschehen im Molekül bei Lichteinfall:

+ Durch die Aufnahme eines Photons (Teilchenform des Lichts) -> Molekül wird in einen höheren energetischer Zustand versetzt.

- Die Absorption eines Photons hebt einen Elektron auf ein Orbital, das von seinem Atomkern weiter entfernt ist 

Im normalen Verlauf -  der nicht zyklischen Lichtreaktion:

Lichtenergie wird zur Spaltung (Oxidation) von Wasser genutzt. 

Aus einem Wassermolekül entstehen 

• molekularer Sauerstoff, 
• zwei Wasserstoffprotonen
• zwei Elektronen.

H2O -> 1/2 O2 + 2 e– + 2 H+

Es erfordert zwei unterschiedliche Photosysteme, die hintereinander geschaltet sind. 

Die Elektronentransportkette in der Thylakoidmembran transportiert die Elektronen und überträgt sie auf das Elektronencarrier-Molekül NADP+. 

Es handelt sich um eine Folge von Redoxreaktionen, bei denen viel Energie frei wird (=exergonisch). 

Ein Teil dieser freien Energie nutzt die ATP-Synthase am Ende der Elektronentransportkette, um ATP herzustellen.

Ein Glucose-Molekül besteht aus 6 Kohlenstoffatomen -> 6 Kohlenstoffdioxid-Moleküle benötigt werden. 

Dafür sind 6 Umdrehungen des Calvin-Zyklus notwendig und ein Energieaufwand von 18 ATP Molekülen und 12 NADPH-Molekülen.

• Komplexes Gewebesystem
• Funktion: Substanztransport
• Xylem: Ferntransport von Wasser und Nährsalzen
 Tracheiden : Wasser und Nährsalztransport,
Stützfunktion
 Tracheen: (Angiospermen) Wasser und Nährsalztransport
 Xylemparenchym: Speicherung (direkt um andere herum)
 Xylemfasern: Stützfunktion, da diese Funktion sonst fehlt
• Phloem: Assimilat Transport

Assimilattransport
 Siebröhren und Gleitzellen (Angiospermen): Assimilattrasport
 Phloemparenchym: Speicherung
 Phloemfasern: Stützen

• Prokaryoten haben keinen ausgeprägten Zellkern
• Eukaryoten sind höher und weiter entwickelt
• Endosymbionten Theorie: Organelle (bei den Eukaryoten, wie Chloroplasten und Mitochondrien)  früher selbstständige Prokaryoten und im Laufe der Evolution eine Synergie innerhalb der Zelle entwickelt

Sowohl die Lichtreaktion als auch die Dunkelreaktion finden in den Chloroplasten in pflanzlichen Zellen statt.  

Die Dunkelreaktion läuft im Stroma der Chloroplasten ab. 

Darin liegen einzelne Thylakoide, die Stromathylakoide, Ribosomen, DNA und Stärkekörner - können den Zucker (teilweise als Stärke gespeichert) lagern.

Grundgewebe

Leitgewebe

Abschlussgewbe

Der Calvin Zyklus, Dunkelreaktion oder Ribulosebisphosphatzyklus ist ein kreisförmiger durch Enzyme katalysierter Teilprozess der Photosynthese und trägt zum Aufbau von Zuckern aus Kohlenstoffdioxid der Luft bei. 

Findet bei Pflanzen im Stroma der Chloroplasten und bei Bakterien im Cytoplasma statt.

Ist in drei Phasen gegliedert:

• Kohlenstoffdioxid-Fixierung; Carboxilierende Phase ---> 3-PGS (Phosphoglycerinsäure),

In der Fixierungsphase verbindet sich ein Kohlenstoffdioxid-Molekül mit dem Akzeptormolekül – aus 5 Kohlenstoffatomen bestehenden Zucker Ribulose-1,5-bisphosphat (RubP).  

Diese Reaktion katalysiert das Enzym RuBisCo (Ribulose-1,5-bisphosphat- Carboxylase-Oxygenase).

Ein instabiler C6–Körper entsteht und zerfällt sofort in zwei C3– Körper (3-Phosphoglycerinsäure (3-PGS).  (Aus einem Kohlenstoffdioxid-Molekül entstehen also zwei 3-PGS Moleküle.)

• Reduktionsphase; reduzierenden Phase -> 3-PGA (Phosphoglycerinaldehyd) 

verläuft in 2 Teilschritten. 

3-Phosphoglycerinsäure wird aktiviert 

(ein Enzym überträgt eine Phosphatgruppe auf die Säuregruppe. Die Phosphatgruppe stammt vom Energieträger ATP, der in ADP und Phosphat gespalten wird. Da die Phosphoglycerinsäure nun 2 Phosphatgruppen besitzt, wird sie als 1,3-Bisphosphoglycerinsäure bezeichnet.)  

Daraufhin erfolgt die eigentliche Reduktionsreaktion. 

Die 1,3-Bisphosphoglycerinsäure nimmt nun 2 Elektronen (e–) und ein Wasserstoffproton (H+) von NADPH auf –(wird reduziert)

Dabei wird die zuvor übertragene Phosphatgruppe wieder abgespalten und aus der Carbonsäuregruppe (-COOH) entsteht eine Aldehydgruppe (-COH). 

Man erhält Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP). Gleichzeitig wird NADPH zu NADP+ oxidiert. 

• Regenerationsphase: regenerierende -> CO2-Akzeptor (Ribulose-1,5-bisphosphat)

Das Akzeptormolekül (Ribulose-1,5-bisphosphat) wird wieder hergestellt, also regeneriert. 

5/6 der gebildeten C3– Moleküle Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P) werden verwendet. 

Energie in Form von ATP-Molekülen nötig. 

Der Zyklus kann erneut durchlaufen werden, da das Akzeptormolekül wieder zur Verfügung steht. 

1/6 der C3 Körper G3P verlässt den Zyklus und kann mit einem Molekül G3P zu 6 C2 Körper reagieren. 

Nach Umwandlungsreaktionen entstehen Glucose oder Fructose -> können dann in den Stoffwechsel eingeschleust und abgebaut werden (=kataboler Stoffwechsel). Die Pflanze gewinnt Energie (für das Pflanzenwachstum) 

Wenn die Pflanzen mehr Einfachzuckermoleküle herstellt, als für den Energiebedarf nötig, können die Zuckermoleküle als Baustoffe für verschiedene Makromoleküle wie Kohlenhydrate, Fette oder Proteine zur Verfügung stehen (=anaboler Stoffwechsel). 

Die Kohlenhydrate können im Stroma der Chloroplasten in Stärkekörnern gespeichert und bei Bedarf mobilisiert werden. 

1/3 von dem was am Tag produziert wird, wird als transitorische Stärke gespeichert und in der Nacht der Pflanze zur verfügung gestellt.

Aus Triosephosphat wird entweder Saccharose zum weitergeben oder die transitorische Stärke wird Nachts umgebaut zu Saccharose und läuft dann weiter in die Leitgewebe ?????