Hauptunterschied – C3- vs. C4-Zyklus

C3- und C4-Zyklus sind zwei Arten von zyklischen Reaktionen, die als Dunkelreaktion der Photosynthese auftreten. Photosynthese ist die Produktion einfacher organischer Moleküle, Glucose aus anorganischen Molekülen, Kohlendioxid und Wasser unter Verwendung von Sonnenlicht als Energiequelle. Bei der Photosynthese folgt auf die Lichtreaktion die Dunkelreaktion. C3-Zyklus wird auch genannt Calvin-Zyklus, wobei der C4-Zyklus genannt wird Hatch-Slack-Zyklus. Die Hauptunterschied zwischen C3- und C4-Zyklus ist die erste stabile Verbindung, die durch diese Reaktionen hergestellt wird; die erste stabile Verbindung, die im C3-Zyklus produziert wird, ist eine Drei-Kohlenstoff-Verbindung namens 3-Phosphoglycerinsäure (PGA). wohingegen Die erste stabile Verbindung, die im C4-Zyklus produziert wird, ist eine Vier-Kohlenstoff-Verbindung namens Oxalessigsäure (OAA).

Dieser Artikel untersucht,

1. Was ist der C3-Zyklus? – Eigenschaften, Verfahren, Funktion 2. Was ist der C4-Zyklus? – Eigenschaften, Verfahren, Funktion 3. Was ist der Unterschied zwischen C3- und C4-Zyklus?

Was ist C3-Zyklus?

Der C3-Zyklus ist einer der beiden Reaktionswege, die bei der Dunkelreaktion der Photosynthese auftreten können. Es kommt in allen Pflanzen vor. Im C3-Zyklus werden drei Schritte beobachtet. Während des ersten Schritts wird Kohlendioxid in Ribulose-1, 5-Bisphosphat fixiert, wodurch eine instabile Sechs-Kohlenstoff-Verbindung gebildet wird, die dann zu einer Drei-Kohlenstoff-Verbindung, 3-Phosphoglycerat, hydrolysiert wird. Die Kohlendioxidfixierung wird durch das Enzym Rubisco katalysiert, das sich in der Stromaoberfläche der Thylakoidmembran im Chloroplasten befindet. Die Fixierung von Kohlendioxid ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt des C3-Zyklus. Aufgrund der katalytischen Unvollkommenheit des Enzyms Rubisco reagiert das Enzym mit molekularem Sauerstoff durch einen Prozess, der als Photorespiration bezeichnet wird. Im ersten Schritt des C3-Zyklus werden bei einer einzigen Kohlendioxid-Fixierung zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat gebildet. Im zweiten Schritt wird ein Molekül 3-Phosphoglycerat reduziert, wodurch drei Arten von Hexosephosphaten gebildet werden: Fructose-6-Phosphat, Glucose-6-Phosphat und Glucose-1-Phosphat. Verbleibendes 3-Phosphoglycerat wird recycelt, wobei Ribulose-1, 5-bisphosphat gebildet wird. Der C3-Zyklus ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: C3-Zyklus

Was ist der C4-Zyklus?

Der C4-Zyklus ist der andere Reaktionsweg, der bei der Dunkelreaktion der Photosynthese auftritt. Die Pflanzen, die in heißen und trockenen Umgebungen wie Zuckerrohr, Mais und Krabbengras wachsen, nutzen den C4-Weg während der Photosynthese. Die Poren der Gasaustauschöffnungen werden bei diesen Pflanzen den größten Teil des Tages geschlossen gehalten, um den übermäßigen Feuchtigkeitsverlust bei trockenen und heißen Bedingungen zu reduzieren. Dadurch wird auch die Kohlendioxidkonzentration in den Pflanzenblättern durch das Fortschreiten des C3-Zyklus reduziert. Wenn die Kohlendioxidkonzentration niedrig ist, wird die Photoatmung verstärkt, wodurch die Effizienz der Photosynthese verringert wird. Um die Effizienz der Photosynthese bei trockenen und heißen Bedingungen zu erhöhen, führen diese C4-Pflanzen den C4-Zyklus durch.

Am C4-Zyklus sind zwei Zelltypen beteiligt: ​​Mesophyllzellen und Bündelscheidenzellen. Das Gefäßgewebe des Blattes ist von Bündelscheidenzellen umgeben. Die Struktur des Blattes von C4-Pflanzen wird durch die Kranz-Anatomie beschrieben. Phosphoenolpyruvat reagiert mit Kohlendioxid in den Mesophyllzellen und bildet Oxalacetat, eine Vier-Kohlenstoff-Verbindung. Die Reaktion wird durch das sauerstoffunempfindliche Enzym Phosphoenolpyruvatcarboxylase katalysiert. Oxalacetat wird dann zu Malat reduziert, das in Bündelscheidenzellen überführt wird. In den Bündelscheidenzellen wird Malat durch Entfernen des Kohlendioxids decarboxyliert und tritt in den C3-Zyklus ein. Der C4-Zyklus ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: C4-Zyklus

Unterschied zwischen C3- und C4-Zyklus

Erste stabile Verbindung

C3-Zyklus: Die erste stabile Verbindung, die im C3-Zyklus produziert wird, ist eine Drei-Kohlenstoff-Verbindung namens 3-Phosphoglycerinsäure.

C4-Zyklus: Die erste stabile Verbindung, die im C4-Zyklus produziert wird, ist eine Vier-Kohlenstoff-Verbindung namens Oxalessigsäure.

Erste Beobachtung

C3-Zyklus: Der C3-Zyklus wurde zuerst von Melvin Calvin beobachtet.

C4-Zyklus: Der C4-Zyklus wurde zuerst von Hatch und Slack beobachtet.

Alternative Namen

C3-Zyklus: Der C3-Zyklus wird Calvin-Zyklus genannt.

C4-Zyklus: Der C4-Zyklus wird Hatch-Slack-Zyklus genannt.

Gegenwart

C3-Zyklus: Der C3-Zyklus kommt in allen Pflanzen vor.

C4-Zyklus: Der C4-Zyklus kommt nur in C4-Pflanzen wie Sorghum und Mais vor.

Primärer Kohlendioxid-Akzeptor

C3-Zyklus: Der primäre Kohlendioxidakzeptor ist eine Verbindung mit fünf Kohlenstoffatomen, Ribulosebiphosphat (RUBP).

C4-Zyklus: Der primäre Kohlendioxidakzeptor ist eine Drei-Kohlenstoff-Verbindung, Phosphoenolbrenztraubensäure (PEP).

Carboxylase-Enzym

C3-Zyklus: Das Carboxylase-Enzym ist Rubisco in C3-Pflanzen.

C4-Zyklus: Die Carboxylase-Enzyme sind PEP-Carboxylase und Rubisco.

Kohlenstoff-Fixierung

C3-Zyklus: Eine einzelne Kohlenstofffixierung erfolgt im C3-Zyklus.

C4-Zyklus: Doppelte Kohlenstofffixierungen treten im C4-Zyklus auf.

Effizienz bei der Kohlenstofffixierung

C3-Zyklus: Die Kohlenstofffixierung ist im C3-Zyklus weniger effizient und langsam.

C4-Zyklus: Die Kohlenstofffixierung ist im C4-Zyklus effizienter und schneller.

Anforderungen an die Carbonfixierung

C3-Zyklus: Die Fixierung eines einzelnen Kohlenstoffmoleküls erfordert 3 ATP und 2 NADH.

C4-Zyklus: Die Fixierung einer einzelnen Kohlenstofffixierung erfordert 5 ATP und 3 NADH.

Arten von Chloroplasten

C3-Zyklus: Granulare Chloroplasten sind am C3-Zyklus beteiligt.

C4-Zyklus: Granuläre und agranuläre Chloroplasten sind am C4-Zyklus beteiligt.

Kranz Anatomie in Blättern

C3-Zyklus: In den Blättern der C3-Pflanzen fehlt die Kranz-Anatomie.

C4-Zyklus: Die Anatomie von Kranz ist in den Blättern der C4-Pflanzen vorhanden.

Zellen

C3-Zyklus: Der C3-Zyklus wird von Mesophyllzellen durchgeführt.

C4-Zyklus: Der C4-Zyklus wird sowohl von Mesophyllzellen als auch von Bündelscheidenzellen durchgeführt.

Optimale Temperatur

C3-Zyklus: Die optimale Temperatur des C3-Zyklus beträgt 20-25 Grad Celsius.

C4-Zyklus: Die optimale Temperatur des C4-Zyklus beträgt 30-45 Grad Celsius.

Bei sehr niedrigen Kohlendioxidkonzentrationen

C3-Zyklus: Der C3-Zyklus kann bei sehr niedrigen Kohlendioxidkonzentrationen nicht ablaufen.

C4-Zyklus: Der C4-Zyklus kann bei sehr niedrigen Kohlendioxidkonzentrationen ablaufen.

Wirkung von Sauerstoff

C3-Zyklus: Der C3-Zyklus wird durch Sauerstoff gehemmt.

C4-Zyklus: Beim C4-Zyklus wird keine Hemmung des c4-Zyklus beobachtet.

Sonnenlicht

C3-Zyklus: Der C3-Zyklus kann mit Sonnenlicht gesättigt sein.

C4-Zyklus: Der C4-Zyklus sättigt sich nicht mit Sonnenlicht.

Lichtatmung

C3-Zyklus: Im C3-Zyklus wird eine beträchtliche Menge an Photorespiration beobachtet.

C4-Zyklus: Im C4-Zyklus wird eine vernachlässigbare Menge an Photorespiration beobachtet.

Abschluss

C3- und C4-Zyklus sind die beiden Arten von Dunkelreaktionen, die während der Photosynthese auftreten. Der C3-Zyklus tritt in allen Pflanzen bei 20-25 Grad Celsius auf, während der C4-Zyklus nur in C4-Pflanzen bei 30-45 Grad Celsius auftritt. Während des C3-Zyklus wird ein einzelnes Kohlenstofffixierungsereignis beobachtet, während während des C4-Zyklus zwei Kohlenstofffixierungsereignisse beobachtet werden. Die Photorespiration erfolgt während des C3-Zyklus, aber während des C4-Zyklus treten vernachlässigbare Mengen an Photorespiration auf. Die Effizienz des C3-Zyklus ist im Vergleich zur Effizienz des C4-Zyklus gering. Der Hauptunterschied zwischen C3- und C4-Zyklus ist die Anzahl der Kohlenstoffe in der ersten stabilen Verbindung, die in jedem Zyklus produziert wird.

Referenz: 1. Berg, Jeremy M. „Der Calvin-Zyklus synthetisiert Hexosen aus Kohlendioxid und Wasser.“ Biochemie. 5. Auflage. U.S. National Library of Medicine, 01. Januar 1970. Web. 16. April 2017. 2. Lodish, Harvey. „CO2-Stoffwechsel während der Photosynthese.“ Molekulare Zellbiologie. 4. Auflage. U.S. National Library of Medicine, 01. Januar 1970. Web. 16

Bild mit freundlicher Genehmigung: 1. „Calvin-cycle4“ Von Mike Jones – Eigene Arbeit (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia 2. „HatchSlackpathway2“ Von HatchSlackpathway.svg: *HatchSlackpathway.png: Adenosin-Derivate-Arbeit: Jamousederivative-Arbeit: Adenosin (Gespräch) – HatchSlackpathway.svg (CC BY-SA 2.5) über Commons Wikimedia