Produzieren C4-Pflanzen Sauerstoff?
Hallo,
In C4-Pflanzen findet fast nur der zyklische Elektronenfluss statt und es findet dabei keine Entstehung von Sauerstoff durch Wasseroxidation statt.
Wie verbrauchen C4-Pflanzen dann Wasser und produzieren sie (anderweitig) Sauerstoff?
LG
Weisst du wofür das C4 bzw C3 steht?
Ja, der erste stabile Körper, der nach der CO2-Fixierung entsteht, ist bei C3-Pflanzen ein C3-Körper und bei C4-Pflanzen ein C4-Körper
3 Antworten
Hi,
In C4-Pflanzen findet fast nur der zyklische Elektronenfluss statt und es findet dabei keine Entstehung von Sauerstoff durch Wasseroxidation statt.
Das kann man so pauschal nicht sagen. Quelle? Ich vermute, dass dort steht "in Bündelscheidenchloroplasten" o.ä. Denn die geringe PSII-Aktivität gilt nur für Chloroplasten der Bündelscheidenzellen, die keine Grana aufweisen.
Die Chloroplasten der Mesophyllzellen hingegen weisen Grana auf und produzieren Sauerstoff. Wir haben es also mit einem Chlorplastendimorphismus in einer Pflanze zu tun. Schauen wir mal in eine C4-Pflanze:
Schnitt durch Mesophyll- (oben) und Bündelscheidenzelle (unten) in einem Maisblatt. Bildquelle: https://slideplayer.org/slide/912800/
Dann sieht man einen besonders groß geformten Chloroplasten einer Bündelscheidenzelle (BS) einer C4-Pflanze (Mais), mit Stärkeeinschlüssen (S). Und im oberen Teil, einen Chloroplasten des Mesophylls (M) der gleichen Pflanze. Dort sind deutlich Grana zu erkennen, die ich einmal rot markiert habe (Pfeile) und dementsprechend ist dort auch mit PSII-Aktivität und Sauerstoffproduktion zu rechnen. Es treten verschiedene Typen Chloroplasten auf (Bündelscheidenzellen, Mesophyllzellen), so dass sich das von dir angesprochene Phänomen nicht auf die gesamte Pflanze bezieht. LG
gerne, das heißt, dass es im Mesophyll "normale" Chloroplasten gibt, die im Bedarfsfall beides können, zyklisch und linear. In den Bündelscheidenzellen eine andere Art Chloroplasten, bei denen die Grana und damit PSII-Aktivität, durch spezielle Anpassung verloren gingen und man muss sich fragen, wozu das der Fall ist. Dazu muss man weiter ausholen. Das wahrscheinlich am meisten bekannte Enzym der Photosynthese, ist das, welches das CO2 aus der Luft bindet, die "RubisCo". Das ist eine Abkürzung für "Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase-oxygenase". Aus diesem Namen ergibt sich, dass es zwei Reaktionen unterstützt und zwar einmal die, die gewünscht ist, "carboxylase", Bindung von CO2 aus der Luft an ein Akzeptormolekül, für den Calvin-Zyklus. Aber auch eine alternative Reaktion, die unerwünscht ist, "oxygenase". Bei der Oxygenase-Reaktion bindet die RubisCo Sauerstoff statt CO2 (!) und die Pflanze gibt in der Folge CO2 ab ("Photorespiration"), verliert also Kohlenstoff, statt ihn zu binden. Das ist ein hochbrisanter Nebenweg, den die RubisCo unterstützt und damit der Pflanze schadet, statt ihr zu nutzen. Am Anfang der Entwicklung des Lebens auf der Erde, war das noch nicht so schlimm, da es keine Sauerstoffatmosphäre gab. Mit sauerstoffproduzierender Photosynthese und Bildung einer Sauerstoffatmosphäre, entpuppte sich, im Sinne der Photosynthese, die überaus brenzlige Fehlfunktion des Enzyms. Da es bei Anwesenheit von Sauerstoff, potentiell eine Schwächung bis Abschaltung der Photosynthese bedeuten würde, da statt der benötigten Carboxylase-Reaktion, eine völlig aberwitzige Gegenreaktion, unter Sauerstoffverbrauch und CO2 -Freisetzung unterstützt wird. Selbst in 1,5 Milliarden Jahren konnte diese Fehlfunktion des Enzyms RubisCo noch nicht behoben (optimiert) werden. Ich denke, wir sind gerade so an der Katastrophe vorbeigeschrammt. Wenn nämlich die Affinität der RubisCo für O2 viel höher wäre, als für CO2, dann wäre es das gewesen mit der Entwicklung des Lebens bis zum Menschen. Daher stellt diese Alternativreaktion der RubisCo einen erheblichen Mehraufwand für Pflanzen dar, denn ungewollten Kohlenstoffverlust durch Photorespiration zu mindern. Es hat sich gezeigt, dass die unerwünschte Oxygenase-Reaktion der RubisCo in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur steht, da die Affinität für CO2 mit steigender Temperatur abnimmt. Bei Temperaturen über 25° macht die Oxygenase-Reaktion bis zu 50% des Enzymreaktion aus. Damit stehen C3-Pflanzen bei hohen Temperaturen unter der Last einer hohen Photorespiration. Bei C4-Pflanzen, mit den Chloroplasten der Bündelscheidenzellen, hat die Pflanze den Enzymdefekt ausgetrickst: Daher, dass diese Chloroplasten keine PSII-Aktivität und keine Sauerstoffproduktion zeigen, sinkt der O2-Gehalt im Chlorplasten soweit, dass es mit CO2 an der RubisCo nicht mehr in Konkurrenz steht und damit der unerwünschte Nebenweg der Oxygenase-Reaktion praktisch aus Sauerstoffmangel unterbunden wird. Die RubisCo fixiert CO2 und die Photosyntheseleistung ist, unter hohen Temperaturen, im Vergleich zu C3, signifikant verbessert. Das heißt C4 Pflanze sind unter ganz speziellen Umweltbedingungen, nämlich vor allem hohen Temperaturen, Wassermangel und viel Lichtintensität gegenüber C3-Pflanzen im Vorteil, weil sie ihre Photosyntheseleistung für diese Bedingungen optimiert haben. LG
Wie verbrauchen C4-Pflanzen Wasser?
Auch C4-Pflanzen müssen CO₂ aufnehmen, um es zu fixieren, und damit Glucose zu synthetisieren. CO₂ wird durch die Stoma (=Spaltöffnungen) aufgenommen -> eine geöffnete Stomata erhöht die Transpiration (=Wasserverdunstung) -> Schlussfolgerung: Pflanze verliert Wasser durch Öffnung der Stomata.
Produzieren sie (anderweitig) Sauerstoff?
Ja. Die Besonderheit von C4 Pflanzen ist, dass PEP-Carboxylase dem Calvin Zyklus vorgeschaltet ist (=primärer CO₂ Akzeptor), dadurch wird CO₂ effektiver fixiert -> daraus resultiert, dass C4-Pflanzen einen geringeren CO₂ Bedarf haben, und somit die Stomata nicht lange geöffnet sein muss, somit verliert die Pflanze auch weniger Wasser. Das ist eine Angepasstheit an das geringe Vorkommen von Wasser.
Schaue dir da nochmal genauer den Calvin-Cyclus an. Dort findet immer noch ein CO2 Fixierung statt, für die Wasser benötigt wird.
Eine Abgabe von Sauerstoff ist mir dabei aber spontan nicht bekannt, da fällt mir nur Photosynthese 1 und 2 ein, in denen neben Glucose auch Sauerstoff rauskommt, aber das ist bei den "normalen" Pflanzen
Ich hoffe, das ich mich da gerade richtig erinnere, Korrekturen willkommen ^^
Genau, es gibt die Photosysteme I und II. Beim PS II wird durch den linearen Elektronenfluss Wasser in die atomaren Einzelteile gespalten und es entsteht O2. C4-Pflanzen haben allerdings fast keine PS II, sondern nur I (zyklischer Elektronenfluss)
Vielen Dank für deine Mühe! Ich lerne zurzeit mit dem Campbell und beim näheren Hinsehen hat sich bestätigt, was du vermutet hast. Dort steht nämlich "Die Bündelscheidenzellen führen weitestgehend nur zyklischen Elektronentransport durch. Tatsächlich enthalten diese Zellen nur PSI und kaum PSII."
Heißt das dann, dass die Primärreaktion in den Mesophyllzellen wie gewohnt an den Thylakoidmembranen abläuft (linearer Elektronenfluss), aber gleichzeitig auch ATP durch den zyklischen Elektronenfluss in den Bündelscheidenzellen gebildet wird? Also, dass sowohl der lineare, als auch der zyklische Elektronenfluss abläuft, jedoch räumlich getrennt voneinander?