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9.7: C4-Weg und CAM
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C4-Weg und CAM
 

PROTOKOLLE

9.7: C4-Weg und CAM

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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