Der Calvin-Zyklus

Der erste Schritt im Calvin-Zyklus: CO₂-Fixierung

Der Calvin-Zyklus ist ein wesentlicher Bestandteil der Photosynthese und findet im Stroma der Chloroplasten von Pflanzen statt. Der erste Schritt dieses Zyklus ist die CO₂-Fixierungsphase, auch als Carboxylierung bezeichnet. Hier wird das Kohlendioxid (CO₂) aus der Luft in eine organische Verbindung eingebaut.

Der Schlüsselspieler in diesem Prozess ist das Enzym RuBisCO. Dieses Enzym bindet ein CO₂-Molekül an ein fünf Kohlenstoffatome enthaltendes Molekül namens Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP). Dieser Schritt ist entscheidend, da er das CO₂ in eine Form umwandelt, die für die Pflanze nutzbar ist.

Sobald das CO₂ an RuBP gebunden ist, entsteht ein instabiles Zwischenprodukt, das sich schnell in zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat (3-PG) aufspaltet. Dieses 3-Phosphoglycerat ist das erste stabile Produkt der CO₂-Fixierung und dient später als Grundlage für die Synthese von Glucose und anderen wichtigen Verbindungen.

Die CO₂-Fixierungsphase ist somit der erste und entscheidende Schritt, der den Calvin-Zyklus in Gang setzt und ermöglicht es den Pflanzen, das lebenswichtige CO₂ effizient zu nutzen.

Die Reduktionsphase: Energie für den Aufbau

Nachdem das Kohlendioxid im ersten Schritt des Calvin-Zyklus fixiert wurde, folgt die spannende Reduktionsphase. In diesem zweiten Schritt werden die zuvor entstandenen Moleküle 3-Phosphoglycerat (3-PG) in energiereichere Verbindungen umgewandelt, die die Pflanze für den Aufbau von Zucker benötigt.

Diese Phase beginnt mit der Umwandlung von 3-Phosphoglycerat in 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3-BPG). Dies geschieht durch die Energiezufuhr aus Adenosintriphosphat (ATP), einem Molekül, das als Energiespeicher der Zelle dient. Das ATP überträgt eine Phosphatgruppe auf das 3-PG, wodurch 1,3-BPG entsteht. Doch damit ist die Arbeit noch nicht getan!

Im nächsten Schritt wird 1,3-Bisphosphoglycerat durch ein weiteres energiereiches Molekül, das Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADPH), weiter reduziert. NADPH liefert nicht nur Energie, sondern auch Elektronen, die für die chemische Umwandlung notwendig sind. Durch diesen Prozess entsteht Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P), ein Zuckermolekül, das die Pflanze als Baustein für die Synthese von Glucose und anderen wichtigen Verbindungen nutzen kann.

Die Reduktionsphase ist also ein entscheidender Schritt, in dem die Pflanze aus den ersten, relativ einfachen Produkten der CO₂-Fixierung energiereiche und vielseitig einsetzbare Verbindungen herstellt. Ohne diesen Schritt könnten Pflanzen die Energie des Sonnenlichts nicht effektiv in chemische Energie umwandeln und speichern.

Mit der Bildung von Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P) endet die Reduktionsphase, und die Pflanze ist bereit, die nächsten Schritte im Calvin-Zyklus zu durchlaufen, um die benötigten Nährstoffe für Wachstum und Entwicklung zu produzieren.

Die Regenerationsphase: Vorbereitung für den nächsten Zyklus

Nachdem in der Reduktionsphase das Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P) gebildet wurde, folgt der dritte und letzte Schritt des Calvin-Zyklus: die Regenerationsphase. Diese Phase ist entscheidend, damit der Zyklus erneut beginnen kann und die Pflanze kontinuierlich Kohlendioxid fixieren und in Zucker umwandeln kann.

In der Regenerationsphase wird ein Teil des im vorherigen Schritt entstandenen G3P verwendet, um das Ausgangsmolekül Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP) wiederherzustellen. RuBP ist das Molekül, das zu Beginn des Calvin-Zyklus benötigt wird, um Kohlendioxid zu fixieren. Ohne die Regeneration dieses Moleküls könnte der Zyklus nicht fortgesetzt werden.

Der Prozess der Regeneration ist komplex und umfasst mehrere enzymatische Reaktionen. Zunächst werden die G3P-Moleküle durch eine Serie von Umwandlungen und Umlagerungen in verschiedene Zuckermoleküle umgewandelt. Dabei entstehen unter anderem Fructose-6-phosphat und Erythrose-4-phosphat. Diese Zwischenprodukte durchlaufen weitere Reaktionen, bei denen sie sich verbinden und schließlich das gewünschte RuBP-Molekül bilden.

Dabei spielt das Molekül Adenosintriphosphat (ATP) erneut eine wichtige Rolle. ATP liefert die notwendige Energie, um die chemischen Bindungen zu knüpfen und das RuBP zu synthetisieren. Sobald genügend RuBP regeneriert wurde, kann der Calvin-Zyklus von Neuem beginnen und die Pflanze ist bereit, weiteres Kohlendioxid aufzunehmen und in energiereiche Verbindungen umzuwandeln.

Die Regenerationsphase ist somit ein essenzieller Abschluss des Calvin-Zyklus. Sie stellt sicher, dass die Pflanze ständig in der Lage ist, die Energie aus dem Sonnenlicht in chemische Energie zu überführen und für Wachstum und Entwicklung zu nutzen.

Musterlösung Bruttogleichung:

Hierbei handelt es sich um eine Musterlösung für die Lehrkraft. Bei Verwendung des Arbeitsblattes am besten vorher rauslöschen.