Ablauf der Dunkelreaktion

1.4 Umwandlung
von Lichtenergie in chemische Energie
1.4.2 Dunkelreaktion, Isotopenmarkierung, Calvinzyklus

1.4.2.2 Ablauf der Dunkelreaktion

Der genaue Ablauf der Dunkelreaktion wurde erstmals
bei Algenkulturen (Chlorella, Scenedesmus) durch Gabe von radioaktiv markiertem
CO2 (14CO2), rascher Abtötung der
Zellen und Extraktion mit heißem Alkohol mit chromatographischer
Analyse geklärt. Neben 14C wurden auch andere b-Strahler
wie 15N, 32P, 35S und 3H verwendet,
um Stoffwechselwege aufzuklären. Man nennt diese Methode Isotopenmarkierung.

 

cell

In Abb. 46
ist eine Chlorella-Kultur, in Abb 47
verschiedene Scenedesmusarten zu sehen.
Chlorella
wie Scenedesmus
gehören zum Phytoplankton in Seen, Flüssen und Bächen
(Chlorella auch im Boden).

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Die Zellen wurden mit radioaktiv markiertem
CO2 (14C) versorgt. Die Algen nahmen das CO2
auf und verstoffwechselten es. Alle daraus entstandenen Produkte waren
somit ebenfalls radioaktiv markiert. Wenn man nun in bestimmten
Zeitabständen den Stoffwechsel unterbricht, kann man die bis dahin
produzierten Stoffe isolieren und durch ihre radioaktive Markierung
und identifizieren. Calvin verwendete die Papierchromatographie,
um die Photosyntheseprodukte zu trennen. Darauf wurde ein Röntgenfilm
gelegt. Die Schwärzung des Films zeigte die Lage der entstandenen
Produkte an. Diese Methode nennt man Autoradiographie.

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In Abb. 48
ist ein Autoradiogramm eines Acrylamidgels ( hier DNA-Fragmente)
zu sehen. Die grauen und schwarzen Banden enthalten unterschiedliche
Menegen an radioaktiv markierten Substanzen.

Nun konnten die Produkte, die das 14C enthielten
identifiziert werden.

Heute verwendet man auch andere chromatographische
Verfahren wie die Flüssigkeits-Szintillationschromatographie oder
Gelelektrophorese um die Auftrennung zu ermöglichen. Hochempfindliche
Autoradiographie-Filme zusammen mit digitaler Analyse ermöglichen
eine genaue Analyse (<100 mm).

Neben der Isotopenmarkierung gibt es auch eine nicht-isotopische
Markierung durch Farbstoffe. Die Stoffwechselzwischenprodukte können
dann durch z. B. Fluoreszenzspektroskopie analysiert werden.

Bei der Dunkelreaktion der Photosynthese ergab sich
als erstes entstandenes Produkt die 3-Phospho-Glycerinsäure
(PGS)
, deren Konzentration bis 25 Sekunden nach 14CO2-Gabe
stark anstieg. Weitere Analysen der beteiligten Stoffe klärten
den gesamten Dunkelstoffwechsel auf, inklusive der beteiligten Enzyme.
Gleichzeitig mit dem Anstieg der PGS-Konzentration war nämlich
ein Absinken der RuDP-Konzentration zu beobachten. Dies und andere Ergebnisse
führten zu der Erkenntnis, daß die phosphorylierte Pentose
Ribulose-1,5-Diphosphat (RuDP) (oder Ribulose-1,5-Biphosphat
= RuBP) der CO2-Akzeptor der Photosynthese ist. Diesen
1. Abschnitt der Dunkelreaktion nennt man


Carboxylierende
Phase
.
 

 

 

 


Abb. 46
Chlorella-Kultur
 

Chlorella
ist eine einzellige Grünalge mit einem sehr
großen Chloroplasten, 

 

 

 

 


Abb. 47
verschiedene
Scenedesmus-Arten
 


Scenedesmus
besteht aus einer linearen Kolonie von 4 Zellen. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 48
Autoradiogramm
 

 

 

 

 


Abb. 48
Bildung
von 3PGS
 


Pgs21

 


Abb. 49
Carboxylierende
Phase
 

carbox1

Das CO2 wird an die Ribulose-1,5-Diphosphat
gebunden, wobei ein Zwischenprodukt mit 6 C-Atomen ensteht (C6-Körper),
das sofort in 2 C3-Körper (PGS =3-Phosphoglycerinsäure) zerfällt.
Diese Reaktion ist stark exergonisch mit DG
= -52.08 KJ/Mol.

Das Enzym, das die Bindung an RuDP katalysiert heißt
RuBP-Carboxylase/Oxygenase (RuBisCO), und ist
das am häufigsten produzierte Enzym
aller Lebewesen. 15% aller Proteine der Chloroplasten sind RuBisCO.
In Abb. 50 sind mit Gold markierte RuBisCO-Kristalle
in einem Granum eines Chloroplasten zu sehen. Die genaue Proteinstruktur
ist bekannt (EC: 4.1.1.39). RuBisCo besteht aus 8 Untereinheiten mit jeweils
einem katalytischen Zentrum (siehe im RASMOL-Modell unten). Es wird durch
ein Metabolit der Dunkelreaktion inaktiviert, der nachts gebildet wird
und am Tag zerfällt.

rubisco4



Kzrubis

 

Die 3-PGS wird in der 2. Phase
des Calvinzyklus zunächst in 1,3-Diphosphoglycerinsäure
(1,3-DiPGS)
umgewandelt. Diese wird dann in 3-Phosphoglycerinaldehyd
(3-PGA) reduziert. Dazu werden Elektronen, Wasserstoff und
Energie benötigt und die Primärprodukte ATP und NADPH+H+
verwendet. Man diese Phase Reduzierende
Phase
.

 

 


Abb. 50
RUBISCO
 

_rub 

 

 


Abb. 51
3D-Struktur
von RUBISCO
 


Modell des RuBisCo-Moleküls aus Spinatfür 3D bitte Bild anklicken

 

 

 


Abb. 52
Katalytisches
Zentrum von RUBISCO
 


Katalytisches Zentrum von RuBisCo
 

(Spinat (grün), Synechococcus
(braun))

 

 


Abb. 53
reduzierende
Phase
 

reduz1

Die direkte Reduktion von 3-PGS
ist energetisch nicht möglich, deshalb wird zuerst die 3-PGS durch
Phosphorylierung auf ein höheres Energieniveau gehoben und kann dann
reduziert werden.

In der 3. Phase geschieht zweierlei:

1. wird aus 3-PGA über
mehrer Schritte Fructose-6-Phosphat (F6P) gebildet. (3-PGA verbindet
sich mit seinem Isomeren DHAP (Dihydroxyacetonphospaht), die beide im
Gleichgewicht stehen.)

2. wird aus 3-PGA über
meherer Schritte der CO2-Akzeptor RuDP zurückgebildet.

Deshalb heißt diese Phase Regenerierende
Phase
.

 

 

 

 


Abb. 54
Regenerierende
Phase
 


 

 

reg1

Aus Fructose-6-Phosphat (F6P) entsteht
Glucose-6-Phosphat (G6P), aus dem dann entweder Stärke oder die Transportform
Saccharose oder Cellulose gebildet wird. Die Zwischenprodukte des Calvinzyklus
dienen im Intermediärstoffwechsel zur Herstellung von Aminosäuren
usw.

Da RuDP wieder regeneriert wird (über mehrere Zwischenschritte),
läuft der Gesamtvorgang zyklisch ab.

calvinz

Um jedoch sowohl Glucose (C6-Körper)
als auch den Akzeptor RuDP (C5-Körper) zu synthetisieren, muß
der Zyklus 6 mal durchlaufen werden.

6 C1
(CO2) + 6 C5 =30 (RuDP) —->12 C3 = 36 (3PGS)
—-> 12 C3 = 36 (3PGA)
—->
1 C6 (Glucose) + 6 C5
= 30 (RuDP) .

Die Gesamtreaktion sieht folgendermaßen aus:

6CO2 + 12 NADPH + 12 H+
+ 18 ATP —->
C6H12O6 + 12 NADP + 18 ADP + 18P + 6H2O

1.4.2.3 Zusammenfassung der Photosynthese

Wir können nun die Gesamtreaktion der Photosynthese aus Licht-
und Dunkelreaktion formulieren. Da 12 NADP benötigt werden, müssen
auch 12 H2O-Moleküle photolysiert werden. Zusammen mit
dem Calvinzyklus ergibt sich die Bruttogleichung der Photosynthese:

6CO2 + 12H2O
—-> C6H12O6 +6
O2+
6H2O
DG°´=
+
2994 KJ/Mol

 

Folgendes ist bemerkenswert:

  • Der bei der Photosynthese entstehende Sauerstoff
    kommt aus dem Wasser (siehe Photolyse des Wassers.
  • Bei der Photosynthese entsteht Wasser (siehe
    12 x Durchlauf der Lichtreaktion).
  • Die Photosynthese ist eine endergonische Reaktion
    mit einem Energieumsatz von DG°´
    = +2994 KJ/Mol.
  • Nur Blau- und Rotlicht sind in der Photosynthese
    wirksam, energetisch nur Rotlicht.
  • Aus den Zwischenprodukten des Calvinzyklus
    stellt die Pflanze sämtliche anderen organischen Stoffe her,
    sie ist autotroph.
  • Kohlenhydrate sind die am häufigsten hergestellten
    Substanzen in der Natur.
  • RuBisCo ist das häufigste Enzym aller
    Zellen dieser Erde.
  • Der 21 % Sauerstoff der Atmosphäre sind
    durch die Photosynthese in ca. 3,5 x 109 Jahren entstanden.
  • Ohne Sauerstoff der Pflanzen hätten sich
    tierische Organismen nicht entwickeln können.
 

 

 


Abb. 55
CALVIN
– Zyklus
 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 56
Blockschaltbild
der Photosynthese
 


Die wichtigsten Moleküle der Photosynthese sind auf der
nachfolgenden Seite zusammengestellt:Moleküle der Photosynthese

 

 

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Weiterführende
Quellen:

Botanik: http://www.uni-hamburg.de/~biologie/b_online/d00/inhalt.htm
Alles über die Photosynthese
http://photoscience.la.asu.edu/photosyn/default.html
Photosynthesekurs http://hlab2.uni-muenster.de/photosyn/ps00000.html#top
Tutorial Massenspektroskopie http://chipo.chem.uic.edu/web1/ocol/spec/MS.htm
Analytische Spektroskopie
http://www.chem.vt.edu/chem-dept/tissue/5124/5124-index.html
Calvinzyklus
http://esg-www.mit.edu:8001/esgbio/ps/dark.html
http://www.johnco.cc.ks.us/~pdecell/photosyn/calmap.html
http://www.accessexcellence.org/AB/GG/carbFix_cyc.html
http://www.blc.arizona.edu/courses/181gh/rick/photosynthesis/Calvin.html
RuBisCo http://flint.biochm.uottawa.ca/~setor_docs/image.ss3.html

http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462b/mol/chime/rubisco/rubisco.html

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