Photosynthese und Rubisco

Photosynthesis

• Photosynthese ist der Prozess, bei dem grüne Pflanzen und einige andere Organismen Sonnenlicht nutzen, um Nahrung aus Kohlendioxid und Wasser zu synthetisieren.
• Ein essenzieller biologischer Prozess, der Lichtenergie in chemische Energie in Form organischer Verbindungen umwandelt.
• Unentbehrlich für die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts der globalen Ökosysteme.

Rubisco

• Rubisco (Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase) ist das häufigste Enzym auf der Erde, das in photosynthetischen Organismen vorkommt.
• Seine Hauptfunktion ist die Katalysierung der Anlagerung von Kohlendioxid an Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP), dem ersten Schritt des Calvin-Zyklus.
• Rubisco hat eine doppelte Funktion, als Carboxylase (Fixierung von CO2) und als Oxygenase (Anlagerung von O2 an RuBP) fungierend. Die Oxygenase-Aktivität ist bei hohen Temperaturen und niedrigen CO2-Spiegeln problematisch, was die Photosyntheseeffizienz beeinträchtigt.
• Diese doppelte Funktion führt zur Photorespiration, einem Prozess, der die Effizienz der Photosynthese reduziert.
• Die geringe katalytische Effizienz und Affinität von Rubisco zu CO₂ tragen zu seiner hohen Fehlerrate bei und begrenzen die Photosyntheseeffizienz.

Pyrenoid

• Das Pyrenoid ist eine proteinreiche Struktur, die in einigen photosynthetischen Organismen, insbesondere in Algen und bestimmten Pflanzen, vorkommt.
• Es konzentriert Rubisco und andere Enzyme, die an der Kohlenstoffixierung beteiligt sind, in einem eng gepackten Bereich.
• Die Proteinstruktur des Pyrenoids fungiert als organisierte Plattform für Rubisco.
• Seine Anwesenheit erhöht die CO2-Konzentration erheblich und verbessert so die Photosyntheseeffizienz, insbesondere in herausfordernden Umgebungen.
• Die strukturelle Organisation des Pyrenoids kann CO2 konzentrieren und effektiv nutzen.

C3-Pflanzen

• C3-Pflanzen verwenden den Calvin-Zyklus (C3-Weg) zur Kohlenstoffixierung.
• Sie integrieren CO2 direkt in die 3-Kohlenstoff-Verbindung 3-PGA.
• C3-Pflanzen sind im Allgemeinen weniger effizient bei der Photosynthese als C4-Pflanzen, die besser für warme Bedingungen geeignet sind.
• Die C3-Photosynthese hat eine geringere Effizienz, was in wärmeren und trockeneren Umgebungen nachteilig sein kann.
• Die Oxygenase-Aktivität von Rubisco führt zu Photorespiration, was die Effizienz bei C3-Pflanzen senkt.

C4-Pflanzen

• C4-Pflanzen nutzen einen zweistufigen Kohlenstoffixierungsmechanismus (C4-Weg), der in heißen Umgebungen effizienter ist.
• Dieser Weg beinhaltet die anfängliche Fixierung von CO2 in eine 4-Kohlenstoff-Verbindung.
• Die 4-Kohlenstoff-Verbindung wird dann zu spezialisierten Zellen (Bündelscheidenzellen) transportiert, wo das CO2 freigesetzt und in den Calvin-Zyklus eingebaut wird.
• Dieser Prozess konzentriert CO2 effizient um Rubisco, minimiert Photorespiration und macht C4-Pflanzen in wärmeren Bedingungen effizienter.
• C4-Pflanzen zeigen in vielen Situationen eine höhere Photosyntheserate als C3-Pflanzen.