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Sind Bananen C3-, C4- oder CAM-Pflanzen?

Sind Bananen C3-, C4- oder CAM-Pflanzen?



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Sind Bananen C3-, C4- oder CAM-Pflanzen? Ich recherchiere schon seit einiger Zeit und finde keine Antwort.


Zuallererst müssen wir über das Ökosystem nachdenken, in dem Bananen existieren. Offensichtlich steht die Banane in einem Regenwald. Regenwälder sind ein sehr interessantes Ökosystem mit vielen Arten. Das Klima ist sehr heiß und die Atmosphäre hat eine hohe Luftfeuchtigkeit.


Banane ist definitiv keine CAM-Pflanze, denn diese Art der Photosynthese hat normalerweise Kakteen und Sukkulenten. CAM-Pflanzen haben normalerweise tagsüber geschlossene Stromas und öffnen sich nachts, um vor einem möglichen Verlust von Wasser und Kohlendioxid zu schützen. Diese Art der Photosynthese passt nicht in den Regenwald.


C4-Pflanzen sind für die Kranz-Anatomie eines Blattes bekannt. Sie verfügen über spezielle Platten zur sekundären Fixierung von Kohlendioxid. Laut diesem Web glaube ich persönlich, dass Banane keine C4-Pflanze ist.


Laut diesem Artikel hat die Banane also C3-Photosynthese.


Eine Liste von Familien, von denen bekannt ist, dass sie C4-Pflanzen haben, finden Sie hier. [basierend auf Sage 2016]1.

Obwohl viele andere einkeimblättrige Arten eine C4-Photosynthese aufweisen (und die C4-Photosynthese scheint sich mehrmals unabhängig voneinander entwickelt zu haben).2, die Bananenfamilie, Musaceae, besteht aus C3-Pflanzen3.

Dazu gehört die in den Industrieländern am häufigsten konsumierte Bananensorte, die Cavendish-Banane.


Quellen:

  1. Salbei, R.F. (2016). Zeitschrift für experimentelle Botanik 67(14):4039-4056

  2. Ehleringer et al. (1997). Ökologie 112:285299.

  3. Biozylopädie


Problem: Welche Pflanzenart (C3, C4 oder CAM) würde am besten funktionieren, wenn sie unter heißen, trockenen Bedingungen ständigem Tageslicht ausgesetzt ist? Wieso den?

CAM-Anlagen werden typischerweise in Gebieten mit heißen und trockenen Bedingungen gefunden.

Problemdetails

Welche Pflanzenart (C3, C4 oder CAM) könnte am besten gedeihen, wenn sie unter heißen, trockenen Bedingungen ständigem Tageslicht ausgesetzt ist? Wieso den?

Häufig gestellte Fragen

Welches wissenschaftliche Konzept müssen Sie kennen, um dieses Problem zu lösen?

Unsere Tutoren haben darauf hingewiesen, dass Sie zur Lösung dieses Problems das C3-, C4- und CAM-Plants-Konzept anwenden müssen. Sie können Video-Lektionen ansehen, um C3-, C4- und CAM-Pflanzen zu lernen. Oder wenn Sie mehr C3-, C4- und CAM-Plants-Übungen benötigen, können Sie auch C3-, C4- und CAM-Plants-Übungsprobleme üben.

Für welchen Professor ist dieses Problem relevant?

Basierend auf unseren Daten glauben wir, dass dieses Problem für die Klasse von Professor King an der UCF relevant ist.


Unterschied zwischen C3-Pflanzen und C4-Pflanzen

1. Beispiele für diese Pflanzen sind Weizen, Hafer, Gerste, Reisbaumwolle, Bohnen, Spinat, Sonnenblumen, Chlorella etc..

2. Der Kohlenstoffweg in der Photosynthese ist der C3-Weg, d. h. nur der Calvin-Zyklus.

3. Das erste stabile Produkt des obigen Kohlenstoffweges ist die 3-C-Verbindung Phosphoglycerinsäure (PGA).

4. Die Blätter haben diffuses Mesophyll und nur eine Art von Chloroplasten.

5. Die optimale Temperatur für die Photosynthese ist niedrig bis hoch.

6. Photorespiration tritt auf.

7. Photosynthetisch weniger effizient.

8. Der Kohlendioxid-Kompensationspunkt ist hoch, etwa 50 ppm.

9. Die C02-Entwicklungsrate im Licht ist höher.

10. Die Aktivität der Carboanhydrase ist höher.

11. Die Translokationsrate der Endprodukte der Photosynthese ist gering.

12. Die optimale Temperatur für das Wachstum ist niedrig bis hoch.

Unterschied # C4 Pflanzen:

1.Beispiel für diese Pflanzen sind Zuckerrohr, Mais, Sorghum, Atriplex, Amaranthus etc..

2. Der Kohlenstoffweg in der Photosynthese ist der C4-Dicarbonsäure-Weg (Hatch-Slack-Weg).

3. Das erste stabile Produkt des obigen Kohlenstoffwegs ist die 4-C-Verbindung Oxalessigsäure (OAA).

4. Die Blätter haben eine ‘cane type’-Anatomie (Krantz-Anatomie) mit kompaktem Mesophyll um die Bündelscheide von Leitbündeln und dimorphen Chloroplasten. Diejenigen mit Bündelscheiden sind groß und haben kein Grana, während diejenigen aus Mesophyll kleiner sind und Grana enthalten.


C3 Photosynthese

Photosynthetische Organismen, die eine C3-Photosynthese durchlaufen, beginnen den Prozess der Energieumwandlung, der als Calvin-Zyklus bekannt ist, indem sie eine Drei-Kohlenstoff-Verbindung namens 3-Phosphoglycerinsäure produzieren. Dies ist der Grund für den Titel "C3". Die C3-Photosynthese ist ein einstufiger Prozess, der in den Chloroplastenorganellen stattfindet, die als Speicherzentren für Sonnenlichtenergie dienen. Die Pflanze nutzt diese Energie, um ATP und NADPH zu geordneten Zuckermolekülen zu kombinieren. Etwa 85 Prozent der Pflanzen auf der Erde nutzen die C3-Photosynthese.


Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen C3- und C4-Pflanzen – Eine Vergleichstabelle

Grüne Pflanzen besitzen die einzigartige Fähigkeit, Lichtenergie aus Sonnenlicht durch einen Prozess namens Photosynthese zu fixieren. Die essentielle Photosynthese beinhaltet die Synthese von Kohlenhydraten mit atmosphärischem Kohlendioxid, Wasser und Energie, die aus dem Sonnenlicht gewonnen wird. Der Prozess der Photosynthese in Pflanzen wird in zwei großen Schritten abgeschlossen, einem lichtabhängigen ‘Lichtreaktion’ und ein lichtunabhängiges ‘Dunkle Reaktion”.

Bei der Lichtreaktion absorbieren die Chlorophyllmoleküle in den Pflanzen Energie aus dem Sonnenlicht und synthetisieren energiereiche chemische Moleküle wie ATP und reduzierte Coenzyme (NADPHH+). Bei der Dunkelreaktion werden diese energiereichen Moleküle für die Synthese von Kohlenhydraten mit Kohlendioxid verbraucht. Es gibt im Wesentlichen drei verschiedene Arten von dunklen Reaktionspfaden, die in verschiedenen Anlagen auf der Erde betrieben werden und die nach den Komponenten dieser Pfade benannt werden. Sie sind C3-Pflanzen, C4-Pflanzen und CAM-Pflanzen. Der vorliegende Beitrag beschreibt die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen C3-Pflanzen und C4-Pflanzen.

C3-Pflanzen: Pflanzen, die den C3-Zyklus (Calvin-Zyklus) der Dunkelreaktion der Photosynthese verwenden. Der C3-Zyklus ist der erste beschriebene dunkle Reaktionsweg. Mehrheit der Pflanzen (

95%) auf der Erde sind vom Typ C3. Das erste stabile Produkt, das im C3-Zyklus gebildet wird, ist eine Verbindung mit drei Kohlenstoffatomen (3C), daher der Name. Die photosynthetische Effizienz von C3-Pflanzen ist aufgrund der hohen Rate oder Photorespiration vergleichsweise geringer. Lange Zeit galt der C3-Zyklus als einziger dunkler Reaktionsweg in Pflanzen.

C4-Pflanzen: Diese Pflanzen verwenden zusätzlich zum C3-Zyklus einen zusätzlichen dunklen Reaktionsweg namens C4-Zyklus. Sehr wenige Pflanzen (

5%) auf der Erde sind vom Typ C4. Das erste stabile Produkt, das im C4-Zyklus gebildet wird, ist eine Verbindung mit vier Kohlenstoffatomen (4C), daher der Name. Die photosynthetische Effizienz von C4-Pflanzen ist aufgrund der fehlenden Photoatmung sehr hoch.

Ähnlichkeiten zwischen C3- und C4-Pflanzen

@. Sowohl C3 als auch C4 sind Arten von dunkle Reaktionen der Photosynthese.

@. Sowohl C3- als auch C4-Pflanzen fixieren Energie aus Sonnenlicht.

@. Sowohl C3- als auch C4-Pflanzen synthetisieren Kohlenhydrate.

@. Die allgemeine Gleichung der Photosynthese (6CO2 + 12H2O → 6C6h12Ö6 + 6O2 + 6H2O) ist sowohl in C3- als auch in C4-Pflanzen ähnlich.

@. Sowohl C3- als auch C4-Pflanzen benötigen 6 Moleküle CO2 und 12 Moleküle Wasser, um ein Molekül Glukose zu synthetisieren.

@. Das Kohlenhydratprodukt sowohl des C3- als auch des C4-Zyklus ist ein Zuckerphosphatmolekül mit drei Kohlenstoffatomen, das als Glyceraldehyd-3-Phosphat (G3P) bezeichnet wird.

@. Sowohl C3- als auch C4-Pflanzen benötigen Chloroplasten für die Photosynthese.

@. Die Lichtreaktion der Photosynthese ist bei C3- und C4-Pflanzen ähnlich.

@. RuBP kann CO . annehmen2 in C3- und C4-Pflanzen.

Unterschied zwischen C3- und C4-Pflanzen

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CAM-Anlagen

CAM steht für Crassulacean eincid mEtabolismus, da er zuerst an Mitgliedern der Pflanzenfamilie Crassulaceae untersucht wurde. CAM-Anlagen mach auch das C 4 Weg. Anstatt jedoch die C 4 und C 3 Wege in verschiedenen Teilen des Blattes, CAM-Pflanzen trennen sie in Zeit stattdessen (Tabelle (PageIndex<1>)). Infolgedessen müssen CAM-Pflanzen tagsüber ihre Spaltöffnungen nicht öffnen, um die Photoatmung zu reduzieren, da sie bereits nachts ein Vier-Kohlenstoff-Molekül gebildet haben, das tagsüber abgebaut werden kann, um Kohlendioxid freizusetzen.

  • CAM-Anlagen nehmen CO . auf 2 durch ihre offenen Stomata (sie neigen dazu, eine reduzierte Anzahl von ihnen zu haben).
  • Das CO 2 verbindet sich mit PEP, um die Vier-Kohlenstoff-Oxalessigsäure zu bilden.
  • Dies wird in Vier-Kohlenstoff umgewandelt Äpfelsäure die sich während der Nacht in der zentralen Vakuole der Zellen ansammelt.
  • Die Spaltöffnungen schließen (dadurch wird Feuchtigkeit gespart und die Sauerstoffdiffusion nach innen reduziert).
  • Die angesammelte Apfelsäure verlässt die Vakuole und wird abgebaut, um CO . freizusetzen 2 .
  • Das CO 2 wird in die lichtunabhängigen Reaktionen (C 3 Weg).

CAM-Pflanzen gedeihen daher unter Bedingungen hoher Tagestemperaturen, intensiver Sonneneinstrahlung und geringer Bodenfeuchtigkeit. Einige Beispiele für CAM-Pflanzen sind Kakteen (Abbildung (PageIndex<3>)), Ananas, alle epiphytischen Bromelien, Sedums und die "Quotice-Pflanze", die in die kalifornische Küstenlinie eindringt.

Abbildung (PageIndex<3>): Kultivierte Kakteen im Botanischen Garten von Singapur. Bild von Calvin Teo (CC-BY-SA).


Ähnlichkeiten zwischen C3-C4- und CAM-Photosynthese

  • C3-, C4- und CAM-Photosynthese sind drei Arten von Photosyntheseprozessen, die in Pflanzen vorkommen.
  • Im Allgemeinen ist die Photosynthese der zelluläre Prozess der Pflanze, der dafür verantwortlich ist, Energie aus dem Sonnenlicht zu binden, um kleine organische Verbindungen wie Glukose aus Kohlendioxid und Wasser zu synthetisieren.
  • Sowohl die Lichtreaktion als auch der Calvin-Zyklus laufen bei jeder Art der Photosynthese ähnlich ab. Sie unterscheiden sich jedoch durch die Methode der Kohlenstofffixierung.

Hintergrund

C4-Pflanzen wie Mais, Sorghum und Zuckerrohr weisen eine etwa 50 % höhere Photosyntheseeffizienz auf als die von C3-Pflanzen wie Reis, Weizen und Kartoffeln [1]. Dies liegt daran, dass der unterschiedliche Mechanismus der Kohlenstofffixierung durch die beiden Arten der Photosynthese, wie in Abbildung 1 veranschaulicht. Die C3-Photosynthese verwendet nur den Calvin-Zyklus zur Fixierung von CO2 katalysiert durch Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase (Rubisco), die im Chloroplasten in Mesophyllzellen stattfindet. Bei C4-Pflanzen wie Mais (NADP-ME-Subtyp) werden die photosynthetischen Aktivitäten zwischen Mesophyll- und Bündelscheidenzellen aufgeteilt, die anatomisch und biochemisch unterschiedlich sind. Die anfängliche Kohlenstofffixierung wird durch Phosphoenolpyruvat-Carboxylase (PEPC) katalysiert, die aus CO . Oxalacetat (OAA) bildet2 und Phosphoenolpyruvat (PEP). OAA wird zu Malat metabolisiert und diffundiert dann in die BS-Zelle, wo es decarboxyliert wird, um eine erhöhte CO .-Konzentration bereitzustellen2 rund um Rubisco. Schließlich wird das anfängliche Substrat des C4-Zyklus, PEP, in Mesophyllzellen durch Pyruvat-Orthophosphat-Dikinase (PPDK) regeneriert [1]. Das CO2 Konzentrationsmechanismus unterdrückt die Oxygenierungsreaktion durch Rubisco und den anschließenden energieverschwendenden Photorespirationsweg, was zu einer erhöhten Photosyntheseausbeute und einer effizienteren Nutzung von Wasser und Stickstoff im Vergleich zu C3-Pflanzen führt [2]. Daher hat die Gentechnik von C4-Eigenschaften in C3-Pflanzen wie Reis (Oryza sativa) das Potenzial, die Pflanzenproduktivität zu steigern [3–5]. Versuche, diese Werkzeuge zu verwenden, um den Pflanzenstoffwechsel zu steuern, waren jedoch aufgrund der Komplexität des Pflanzenstoffwechsels nur begrenzt erfolgreich. Genetische Manipulationen verursachen selten die vorhergesagten Wirkungen, und neue geschwindigkeitsbegrenzende Schritte verhindern die Akkumulation einiger gewünschter Verbindungen [6, 7].

Ein schematisches Diagramm der C3- und C4-Photosynthese.

Um unser Verständnis des Pflanzenstoffwechsels und damit die Erfolgsrate des Pflanzenstoffwechsel-Engineerings zu verbessern, wird ein systembasierter Rahmen zur Untersuchung des Pflanzenstoffwechsels benötigt [7, 8]. Die Systembiologie umfasst einen iterativen Prozess des Experimentierens, der Datenintegration, der Modellierung und der Hypothesengenerierung [9, 10]. Mit der jüngsten Weiterentwicklung der Genomsequenzierung verfügen mehrere Pflanzen über eine vollständige genomische Sequenz und Annotation, darunter Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) [11], Reis (Oryza sativa), Sorghum (Sorghum bicolor) [12] und Mais (Zea mays), was ermöglichen es, das Stoffwechselnetzwerk von Pflanzen auf Genomskala zu rekonstruieren. Constraint-based Model, auch Flux Balance Analysis (FBA) genannt, ist eine nützliche Methode, um groß angelegte metabolische Netzwerke zu analysieren, ohne detaillierte kinetische Parameter zu benötigen. In FBA werden Flusszustände vorhergesagt, die im Hinblick auf ein angenommenes zelluläres Ziel, wie die Maximierung des Biomasseertrags, optimal sind [13–16]. Für mikrobielle Organismen war FBA erfolgreich bei der Vorhersage in vivo maximale Wachstumsrate, Substratpräferenz und die Notwendigkeit bestimmter biochemischer Reaktionen für das Zellwachstum [17]. Für Pflanzen wurden stark kompartimentierte stöchiometrische Modelle für Gerstensamen [18] und Chlamydomonas [14] entwickelt, insbesondere für Arabidopsis [19–22]. Darüber hinaus wurde auch die Analyse des Stoffwechselnetzwerks für photosynthetische Bakterien wie Synechocystis [23] und violette Nichtschwefelbakterien [24] durchgeführt.

Die Metabolismusmodelle auf Genomskala von C3-Pflanze Arabidopsis [19] und C4-Pflanze [25] wurden konstruiert, jedoch keine vergleichende Analyse zwischen ihnen. In dieser Studie haben wir die beiden Modelle AraGEM und C4GEM verbessert, indem wir das Verhältnis von Carboxylierung und Oxygenierung durch Rubisco eingestellt haben, und die Unterschiede der Netzwerkstruktur und des metabolischen Flusses verglichen, um die evolutionäre Bedeutung aufzuklären. Wir untersuchten die Auswirkungen von Enzym-Knockouts auf die Photosynthese und die Biomassesynthese und verglichen den Beitrag verschiedener C4-Subtypen zur Biomasseproduktion. Darüber hinaus zeigten wir die unterschiedliche Reaktion auf Umweltbedingungen in C3- und C4-Pflanzen. Der Systemfluss unserer Analyse ist in Abbildung 2 dargestellt. Diese Studie wird Aufschluss über die Stoffwechseländerungen von C3 zu C4 auf Systemebene geben, die für eine durchführbare Konstruktion von C3- zu C4-Pflanzen wichtig sind.

Systemablauf des Vergleichs zwischen C3- und C4-Stoffwechselnetzwerken.


C4-Pflanzen

Obwohl Rubisco für den Großteil des organischen Kohlenstoffs auf der Erdoberfläche verantwortlich ist, kann seine Oxygenase-Aktivität die Photosyntheseeffizienz stark reduzieren. Einige Pflanzen haben einen Weg entwickelt, um die Oxygenase-Aktivität von Rubisco zu minimieren.

Lernziele

  • Identifizieren Sie die Bedingungen, die die Oxygenase-Aktivität von Rubisco . erhöhen
  • Beschreiben Sie, wie die Oxygenase-Aktivität von Rubisco die Photosyntheseeffizienz reduziert
  • C3- und C4-Schemata für die Kohlenstofffixierung unterscheiden
  • Wägen Sie die Vor- und Nachteile von C3 gegenüber C4 ab
  • Vergleichen und kontrastieren Sie Photosynthese und Atmung und ihre Beziehung in den globalen Kohlenstoff- und Sauerstoffkreisläufen.

Die Oxygenase-Aktivität von Rubisco beeinträchtigt die Photosyntheseeffizienz
Rubisco hat Oxygenase-Aktivität sowie Carboxylase-Aktivität, es bindet manchmal O2 an RuBP anstelle von CO2. Die Oxygenase-Aktivität tritt bei niedrigen CO2-, hohen O2-Bedingungen auf und wird bei hohen Temperaturen ausgeprägt. Als Ergebnis wird organischer Kohlenstoff oxidiert, das Gegenteil der Photosynthese, die anorganischen Kohlenstoff zu organischem Kohlenstoff reduziert.

Für Neugierige: Oxygenase-Aktivität von Rubisco, aus Wikipedia. RuBP (1) wandelt sich in ein Enolisomer (2) um, das sich mit Sauerstoff verbindet, um das instabile Zwischenprodukt (3) zu bilden, das zu Phosphoglycolat (4) und 3PG (5) hydrolysiert

Die Oxygenierung von RuBP produziert 2-Phosphoglycolat, eine toxische 2-Kohlenstoff-Verbindung, die im Peroxisom und in den Mitochondrien eine Reihe von Reaktionen durchläuft, CO2 freisetzt und zu einem Verlust von organischem Kohlenstoff und Energieproduktion führt. Dieser Vorgang heißt Lichtatmung – ein furchtbar irreführender Name für Studenten, weil er nichts mit Atmung zu tun hat und kein ATP liefert. Alle Biol 1510-Studenten müssen sich bei der Photorespiration daran erinnern, dass sie die Photosyntheseeffizienz verringert und dass sie auftritt, wenn Rubisco RuBP mit Sauerstoff anreichert, anstatt RuBP zu carboxylieren.

Rubisco entwickelte sich sogar vor der sauerstoffhaltigen Photosynthese, als es keinen Sauerstoff in der Atmosphäre oder im Ozeanwasser gab, also gab es keine Selektion gegen die Oxygenase-Aktivität. Dennoch ist es in über 2 Milliarden Jahren weder der Natur noch der menschlichen Gentechnik gelungen, die Oxygenase-Aktivität von Rubisco zu eliminieren oder gar signifikant zu reduzieren, ohne auch die Carboxylase-Aktivität zu beeinträchtigen.

C4-Pflanzen haben einen Mechanismus entwickelt, um Rubisco . CO2 zuzuführen

Damit Pflanzen CO2 aufnehmen können, müssen sie auf ihren Blättern sogenannte Spaltöffnungen öffnen, die Poren sind, die den Gasaustausch ermöglichen. Pflanzen verlieren auch Wasserdampf durch ihre Spaltöffnungen, was bedeutet, dass sie unter trockenen Bedingungen an Austrocknung sterben können, da sie ihre Spaltöffnungen für die Photosynthese offen halten. Als Reaktion darauf schließen Pflanzen ihre Spaltöffnungen, um Austrocknung zu verhindern. Die unmittelbaren* Folgen geschlossener Spaltöffnungen sind kurzfristig eine verringerte CO2-Konzentration (die CO2-Konzentration nimmt ab, da sie für die Photosynthese verwendet wird) und eine erhöhte O2-Konzentration (die O2-Konzentration steigt, da sie durch die Photosynthese produziert wird). Die steigenden O2-Werte erhöhen die Photorespirationsrate (Reaktion von Rubisco mit Sauerstoff anstelle von Kohlendioxid), wenn dann die Effizienz von Rubisco, einem bereits sehr langsam arbeitenden Enzym, drastisch reduziert wird. Das bedeutet, dass Pflanzen unter trockenen Bedingungen dem Risiko einer Dehydration ausgesetzt sind, wenn sie ihre Spaltöffnungen öffnen, um den Gasaustausch zu fördern, oder dass sie keine Zucker produzieren können, wenn sie ihre Spaltöffnungen geschlossen halten, um die Dehydration zu minimieren. (*Die Langzeitfolge dauerhaft geschlossener Stomata ist Erstickungstod, da den Mitochondrien der Sauerstoff zum Atmen ausgeht.)

Viele Pflanzen, die unter heißen und/oder trockenen Bedingungen leben, haben einen alternativen Kohlenstoff-Fixierungsweg entwickelt, um die Effizienz von Rubisco zu erhöhen, so dass sie ihre Spaltöffnungen nicht so lange offen halten müssen und somit das Risiko verringern, an Dehydration zu sterben. Diese Pflanzen werden C4-Pflanzen genannt, weil das erste Produkt der Kohlenstofffixierung eine 4-Kohlenstoff-Verbindung ist (anstelle einer 3-Kohlenstoff-Verbindung wie bei C3- oder “normalen” Pflanzen). C4-Pflanzen verwenden diese 4-Kohlenstoff-Verbindung, um CO2 effektiv um Rubisco zu „konzentrieren“, so dass Rubisco weniger wahrscheinlich mit O2 reagiert.

Es gibt zwei wichtige Anpassungen, die es C4-Pflanzen ermöglichen, dies zu tun:

  • Erstens verwenden C4-Pflanzen ein alternatives Enzym für den ersten Schritt der Kohlenstofffixierung. Dieses Enzym wird Phosphoenolpyruvat (PEP)-Carboxylase genannt und hat keine Oxygenase-Aktivität und eine viel höhere Affinität für CO2 als Rubisco. Wie der Name “PEP-Carboxylase” vermuten lässt, bindet das Enzym CO2 an eine Verbindung namens Phosphoenolpyruvat (PEP).
  • Zweitens haben C4-Pflanzen eine spezialisierte Blattanatomie mit zwei verschiedenen Arten von photosynthetischen Zellen: Mesophyllzellen (an der Außenseite des Blattes, in der Nähe der Stomata) und Bündelscheidenzellen (im Inneren des Blattes, weit weg von den Stomata). Rubisco befindet sich in Bündelscheidenzellen, jedoch nicht in Mesophyllzellen.

Die PEP-Carboxylase befindet sich in den Mesophyllzellen auf der Blattaußenseite in der Nähe der Spaltöffnungen. Es gibt kein Rubisco in den Mesophyllzellen. In die Spaltöffnungen eintretendes CO2 wird durch die PEP-Carboxylase schnell zu einer 4-Kohlenstoff-Verbindung, genannt Malat, fixiert, indem das CO2 an PEP gebunden wird. Das Malat wird dann tiefer in das Blattgewebe zu den Bündelscheidenzellen transportiert, die beide weit von den Spaltöffnungen (und damit weit weg von Sauerstoff) entfernt sind und Rubisco enthalten. In den Bündelscheidenzellen wird Malat decarboxyliert, um Pyruvat und CO2 freizusetzen. Pyruvat kehrt dann zu den Mesophyllzellen zurück, wo ein Phosphat aus ATP verwendet wird, um PEP zu regenerieren. Daher verursacht die C4-Kohlenstofffixierung in C4-Pflanzen zusätzliche Nettokosten von 1 ATP für jedes an rubisco gelieferte CO2, jedoch sterben C4-Pflanzen weniger wahrscheinlich an Dehydration als C3-Pflanzen unter trockenen Bedingungen.

Das Bild unten veranschaulicht den gerade beschriebenen Weg:

Übersicht über die C4-Kohlenstofffixierung von Wikimedia

Was Biol 1510-Studenten über C4 beachten müssen ist, dass diese Pflanzen einen CO2-Konzentrationsmechanismus hinzugefügt haben, um Rubisco zu füttern, und der Calvin-Zyklus verwendet PEP-Carboxylase, um zunächst eine 4-Kohlenstoff-Verbindung herzustellen, die dann CO2 an Rubisco in Blattzellen freisetzt, die wenig Sauerstoff ausgesetzt sind. Während dieser Mechanismus die Oxygenase-Aktivität von Rubisco reduziert, verursacht er zusätzliche Energiekosten in Form von weiterem ATP pro fixiertem Mol CO2.

Das (ausgeschnittene) Video unten bietet einen großartigen Überblick über den Vergleich der C3- und C4-Photosynthese, aber seien Sie sich der folgenden Probleme bei diesem Video bewusst: Das Video klingt so, als ob RuBP seine eigene Reaktion mit CO2 katalysiert, um 2 Moleküle von 3- Kohlenstoff 3PG, anstatt einer der Reaktanten in dieser Reaktion zu sein. Diese enzymatische Reaktion wird katalysiert durch rubisco, und es ist Rubisco, das Oxygnase-Aktivität hat, nicht RuBP! Das Video macht es auch so, als ob PEP seine eigene Reaktion mit CO2 katalysiert, um 4-Kohlenstoff-Malat zu bilden, während diese Reaktion in Wirklichkeit durch PEP-Carboxylase katalysiert wird.

Wenn Sie mehr wissen möchten, zeigt das folgende Video eine gründlichere (wenn auch etwas langsamere) Illustration dieses Prozesses:

Vor- und Nachteile der C4- und C3-Kohlenstofffixierung

  • C4-Pflanzen wachsen unter heißen, trockenen Bedingungen besser als C3-Pflanzen, wenn Pflanzen ihre Spaltöffnungen schließen müssen, um Wasser zu sparen – bei geschlossenen Spaltöffnungen fallen die CO2-Werte im Inneren der Blätter ab und der O2-Wert steigt.
  • C3-Pflanzen wachsen besser als C4-Pflanzen unter kühlen, feuchten Bedingungen, wenn Pflanzen ihre Spaltöffnungen öffnen können, da C3-Pflanzen nicht die zusätzlichen Kosten für ATP der C4-Kohlenstofffixierung tragen.

Photosynthese und Atmung: Spiegelbilder
Die chemischen Gleichungen für sauerstoffhaltige Photosynthese und aerobe Atmung sind genau umgekehrt.

Ein Gleichgewicht zwischen der globalen Photosyntheserate (Primärproduktion) und der globalen Atmungsrate ist erforderlich, um stabile atmosphärische Konzentrationen von CO2 und O2 aufrechtzuerhalten.

In Eukaryoten finden sowohl Photosynthese als auch Atmung in Organellen mit Doppelmembranen und eigenen zirkulären Genomen statt, die als prokaryotische Endosymbionten entstanden sind.

Beide Prozesse haben Elektronentransportketten, Chemiosmose und ATP-Synthase, angetrieben durch Protonenantriebskraft.

Die Powerpoint-Folien, die in den Video-Screencasts verwendet werden, befinden sich im Carbon-Fixierungsfolien-Set.


Vergleiche von C3, C4, und CAM-Anlagen

C3, C4, und CAM-Pflanzen verwenden alle den Calvin-Zyklus, um Zucker aus CO . herzustellen2. Diese Wege zur CO .-Fixierung2 haben unterschiedliche Vor- und Nachteile und machen Pflanzen für unterschiedliche Lebensräume geeignet. Das C3 Mechanismus funktioniert gut in kühlen Umgebungen, während C4 und CAM-Pflanzen sind an heiße, trockene Gebiete angepasst.

Sowohl die C4 und CAM-Pfade haben sich über zwei Dutzend Mal unabhängig voneinander entwickelt, was darauf hindeutet, dass sie Pflanzenarten in heißen Klimazonen einen signifikanten evolutionären Vorteil verschaffen können [6] .


Schau das Video: 13. Plantas C3, C4 y CAM (August 2022).