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9.7: C4-Weg und CAM
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C4 Pathway and CAM
 
PROTOKOLLE

9.7: C4 Pathway and CAM

9.7: C4-Weg und CAM

Overview

Some plants, like sugar cane and corn, that grow in hot conditions, use an alternative process called the C4 pathway to fix carbon. The cycle begins with CO2 from the atmosphere entering mesophyll cells where it is used to generate oxaloacetate—a four-carbon molecule—from phosphoenolpyruvate (PEP). Oxaloacetate is then converted to malate and transported to bundle sheath cells, where the oxygen concentration is low. There, CO2 is released from malate and enters the Calvin Cycle where it is converted into sugars. The CAM pathway is carried out in plants like cacti that also need to conserve water during the day. CAM plants let CO2 into the leaves at night and produce malate that is stored in vacuoles until the following day. The malate is then released from vacuoles and processed in the Calvin Cycle. The C4 pathway separates the different processes locally, while the CAM pathway separates them chronologically.

The C4 Pathway

Some plants, like corn and sugarcane, have evolved alternative ways to fix carbon that help avoid water loss in hot, dry environments. One such method is the C4 pathway. In the first step, CO2 enters mesophyll cells, and the enzyme phosphoenolpyruvate (PEP) carboxylase adds it to the 3-carbon compound PEP to form the 4-carbon compound oxaloacetate. Oxaloacetate is then converted into an organic acid called malate.

Subsequently, malate is transported into bundle sheath cells deep in the leaf where the oxygen concentration is low. Malate is broken down, releasing a molecule of CO2 that then enters the Calvin Cycle where the enzyme rubisco converts it into sugar. The C4 pathway offers an advantage in hot, arid conditions as the plants will close their stomata to conserve water. As a result, they can keep the oxygen concentration low and therefore favor the binding of CO2 to rubisco rather than O2. When the oxygen concentration is higher, rubisco binds O2 instead of CO2—a process termed photorespiration—which would halt photosynthesis and consume energy.

The CAM Pathway

Other plants, like cacti and pineapple, use the crassulacean acid metabolism (CAM) pathway to fix carbon. CAM plants primarily open their stomata at night to prevent water loss during the hot day. At night CO2 enters the mesophyll cells, where it combines with PEP to form oxaloacetate and eventually malate. Malate is then stored in vacuoles until the next day when it is released from vacuoles and enters the Calvin Cycle. The first stages of photosynthesis proceed during the day as they are light-dependent, while the light-independent reactions of the Calvin cycle take place during the night. In this manner, CAM plants separate CO2 fixation and sugar synthesis by using different times of the day.

Überblick

Pflanzen, die unter heißen Bedingungen wachsen verwenden zur Fixierung des Kohlenstoffes einen alternativen Prozess. Man bezeichnet ihn als C4 Pfad. Er wird von Pflanzen wie Zuckerrohr oder Mais genutzt. Der Zyklus beginnt damit, dass CO 2 aus der Atmosphäre in Mesophyllzellen eintritt, wo es zur Erzeugung von Oxalacetateinem (ein Vier-Kohlenstoff-Molekül) aus Phosphoenolpyruvat (PEP) verwendet wird. Das Oxalacetat wird dann in Malat umgewandelt und zu den Bündelhüllenzellen transportiert, wo die Sauerstoffkonzentration niedrig ist. Dort wird dann CO2 aus Malat freigesetzt, welches in den Calvin-Zyklus eintritt und später zu Zucker umgewandelt wird. Der CAM-Weg wird in Pflanzen wie Kakteen genutzt, die auch tagsüber Wasser sparen müssen. CAM-Pflanzen setzen nachts CO2 in die Blätter frei und produzieren so Malat, das bis zum nächsten Tag in Vakuolen gespeichert wird. Das Malat wird dann aus den Vakuolen freigesetzt und im Calvin-Zyklus verarbeitet. Der C4-Pfad trennt die verschiedenen Prozesse lokal, während der CAM-Pfad sie chronologisch trennt.

Der C4 Pfad

Einige Pflanzen wie Mais und Zuckerrohr haben alternative Methoden entwickelt, um Kohlenstoff zu fixieren. Bei ihnen wird Wasserverlust vermieden, was in heißen und trockenen Umgebungen lebenswichtig ist. Eine solche Methode ist der C4-Pfad. Im ersten Schritt dieses Pfades gelangt CO2 in die Mesophyllzellen. Das Enzym Phosphoenolpyruvat (PEP) Carboxylase fügt es der 3-Kohlenstoffverbindung PEP hinzu, um die 4-Kohlenstoffverbindung Oxaloacetat zu bilden. Oxalacetat wird dann in eine organische Säure namens Malat umgewandelt.

Nachfolgend wird Malat in Bündelscheidezellen tief in das Blatt transportiert, wo die Sauerstoffkonzentration niedrig ist. Das Malat wird abgebaut, wobei ein Molekül CO2 freigesetzt wird. Dieses tritt dann in den Calvin-Zyklus ein. Dort wird es vom Enzym Rubisco in Zucker umgewandelt. Der C4-Pfad ist für Pflanzen in heißen und trockenen Bedinungen deutlich vorteilhafter, da die Pflanzen ihre Spaltöffnungen schließen können, um Wasser zu sparen. Dadurch können sie die Sauerstoffkonzentration niedrig halten und begünstigen so die Bindung von CO2 an Rubisco statt O2. Wenn die Sauerstoffkonzentration höher ist, bindet rubisco O2 statt CO2. Diesen Prozess bezeichnet man als Photorespiration. Er stoppt die Fotosynthese und regt den Energieverbrauch an.

Der Crassulaceen-Säurestoffwechsel

Andere Pflanzen, wie Kakteen und Ananas, nutzen den Crassulacean-Säurestoffwechselweg (CAM), um Kohlenstoff zu fixieren. CAM-Pflanzen öffnen ihre Spaltöffnungen hauptsächlich nachts, um Wasserverluste während eines heißen Tages zu vermeiden. Nachts gelangt CO2 in die Mesophyllzellen, wo es sich mit PEP zu Oxalacetat und schließlich zu Malat verbindet. Malat wird dann bis zum nächsten Tag in den Vakuolen gespeichert. Dann wird es aus den Vakuolen freigesetzt und tritt in den Calvin-Zyklus ein. Die ersten, lichtabhängigen Phasen der Fotosynthese laufen tagsüber ab, während die lichtunabhängigen Reaktionen des Calvin-Zyklus in der Nacht stattfinden. Auf diese Weise trennen CAM-Pflanzen CO2 Fixierung und Zuckersynthese durch über verschiedene Tageszeiten hinweg.


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