Molekularer Ablauf der lichtunabhängigen Reaktion (Kalvin-Zyklus)

Einleitung

• Bezeichnung: auch Sekundärreaktion, Dunkelreaktion oder Kalvin-Zyklus
• Prozess: von fotosynthetisch aktiven Organismen wie höheren Pflanzen, Algen und manchen Bakterien durchgeführter Stoffwechselprozess
• Ziel: Synthese des Kohlenhydrats Glukose

Lichtreaktion

• Voraussetzung: Lichtreaktion als erster Schritt der Photosynthese, wandelt Lichtenergie in chemische Energie um
• Produkte: ATP und NADPH

Kalvin-Zyklus

• Findet im Stroma der Chloroplasten statt
• Besteht aus drei Abschnitten:
  1. Kohlenstofffixierung
  2. Reduktion und Zuckersynthese
  3. Regeneration des CO2-Akzeptors RuBP

Kohlenstofffixierung

• CO2 wird durch Spaltöffnungen (Stomata) aufgenommen
• Akzeptormolekül: Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP)
• Enzym: Ribulose-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase (Rubisco)
• Ergebnis: Umwandlung von CO2 in zwei Moleküle 3-Phosphoglycerinsäure (C3-Verbindung)

Reduktion und Zuckersynthese

• 3-Phosphoglycerinsäure wird zu Glycerinaldehyd-3-phosphat reduziert
• Energiequelle: ATP aus der Lichtreaktion
• Elektronentransfer: NADPH überträgt Elektronen
• Produkte: Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP), wird zu Zuckern wie Glukose und Fruktose weiterverarbeitet

Regeneration des RuBP

• Ein Großteil des GAP regeneriert RuBP
• Komplexer Reaktionsweg, benötigt ATP

Bilanz des Kalvin-Zyklus

• Für ein Glukosemolekül (C6H12O6) sind sechs CO2-Moleküle und sechs Umdrehungen des Zyklus notwendig
• Energieaufwand: 18 ATP und 12 NADPH

Lichtunabhängigkeit und Stimulation durch Licht

• Trotz des Namens ist der Zyklus nicht vollständig lichtunabhängig
• Licht beeinflusst pH-Wert im Stroma und aktiviert Enzyme

Anpassungen bei Pflanzen

• Arten wie C4- und CAM-Pflanzen haben Anpassungen entwickelt, um in warmen Klimaten CO2 effizient zu fixieren
• Herausforderung: Balancieren zwischen CO2-Aufnahme und Wasserverlust über Stomata

Fazit

• Kalvin-Zyklus ist ein zentraler Bestandteil der Photosynthese
• Unterschiedliche Strategien bei Pflanzen zur Optimierung der CO2-Fixierung, abhängig von Umweltbedingungen