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.

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.

 

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.

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.

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.

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:

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.