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Fotosynthese – C4- und CAM-Pflanzen

In heißen Klimazonen haben Pflanzen es schwer. Die C4-Fotosynthese ist ihre Strategie, Wasserverluste durch die Fixierung von $\ce{CO2}$ zu minimieren. Erfahre, wie sie sich von den C3-Pflanzen unterscheiden, welche Pflanzen C4 sind, und warum CAM-Pflanzen nachts photosynthetisieren. Interessiert? Das und mehr erfährst du im Text!

Alle Inhalte sind von Lehrkräften & Lernexperten erstellt
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Bio-Team
Fotosynthese – C4- und CAM-Pflanzen
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Fotosynthese – C4- und CAM-Pflanzen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Fotosynthese – C4- und CAM-Pflanzen kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die C3- und C4-Fotosynthese.

    Tipps

    Bei der C3-Fotosynthese entsteht als erste nachweisbare Substanz ein C3-Körper, daher der Name „C3-Pflanze“.

    Bei der C4-Fotosynthese entsteht als erste nachweisbare Substanz ein C4-Körper, daher der Name „C4-Pflanze".

    Lösung

    Bei der C3-Fotosynthese, die du bei vielen Gräsern findest, wird das $CO_2$ im Calvinzyklus an Ribulose-1,5-bisphosphat (oft abgekürzt als RUBISCO) gebunden. Der somit entstandene C6-Körper ist sehr instabil und zerfällt daher rasch in zwei C3-Körper (3- Physphoglycerat).

    Bei der C4-Fotosynthese verhält sich dies anders. Der Akzeptor für das $CO_2$ ist hier Phosphoenolpyruvat, kurz PEP genannt. Es entsteht ein C4-Körper (Oxalacetat), der in Malat umgewandelt wird. Malat spaltet $CO_2$ wieder ab und es entsteht, über Pyruvat, wieder PEP. Diese Fotosynthese findest du bei vielen Pflanzen, die an einem heißen Standort wachsen, wie Mais und Zuckerrohr.

  • Nenne die Gemeinsamkeiten der Fotosynthese bei C4- und CAM-Pflanzen.

    Tipps

    Bei der C4- und CAM-Fotosynthese ist der $CO_2$-Akzeptor PEP.

    Lösung

    Die C4- und CAM-Fotosynthese haben auch Gemeinsamkeiten. Bei beiden wird Kohlenstoffdioxid an PEP (Phosphoenolpyruvat) fixiert. Zudem findet bei beiden eine Vorfixierung des Kohlenstoffdioxids statt.

    Das ist nicht zu verwechseln mit der C3-Fotosynthese, hier wird Kohlenstoffdioxid an Ribulose-1,5-bisphosphat fixiert.

  • Erkläre, warum ein Kaktus morgens sauer schmecken würde.

    Tipps

    Salze der Apfelsäure nennt man Malate.

    Lösung

    Bei den Sukkulenten ist die Vorfixierung des $CO_2$ zeitlich getrennt. $CO_2$ wird nachts fixiert, denn zu diesem Zeitpunkt können die Stomata weit geöffnet werden. Am Tage wird das $CO_2$ dann aus Malat abgespalten und in den Calvin-Zyklus eingeschleust. Zwischenzeitlich wird das $CO_2$ in Form von Malat in den Vakuolen gespeichert. Hierbei sinkt der pH-Wert in den Vakuolen ab.

  • Ermittle die Vorteile der C4-Fotosynthese.

    Tipps

    Unter Fotorespiration versteht man die Lichtatmung. Die Spaltöffnungen werden in der Hitze der Sonne geöffnet, da nicht genügend $CO_2$ in der Pflanze vorhanden ist, um weiter Photosynthese zu betreiben. $CO_2$ kann dann aus der Luft aufgenommen werden.

    Da Rubisco auch als Oxygenase arbeitet, wird ein Teil der gebildeten C3-Körper wieder veratmet.

    Lösung

    Dr. Blume hat schon recht, eine große Vision der Pflanzenforschung ist es, den C4-Fotosyntheseweg auf C3-Pflanzen zu übertragen. Die C4-Pflanzen sind durch ihre Fotosynthese gut an heiße und trockene Standorte angepasst. Wichtige Kulturpflanzen wie Weizen und Reis sind an diesen Standorten als C3-Pflanzen im Nachteil. Sinkt die Fotosyntheseleistung, sinkt auch der Ertrag.

    Die C4-Pflanzen erreichen eine gute Fotosyntheserate, da sie die Verluste der Lichtatmung (=Fotorespiration) minimieren. Das geschieht dadurch, dass das Kohlenstoffdioxid nicht an Ribulose-1,5-bisphosphat gebunden wird, sondern direkt an PEP. Bei den C3-Pflanzen bindet $CO-2$, wie du gelernt hast, an Ribulose-1,5-bisphosphat. Ein Problem ist, dass die Rubisco nicht nur $CO_2$ fixiert, sondern auch Sauerstoff. Das hat zur Folge, dass der gebildete C3-Körper wieder „veratmet“ wird. Durch das hohe $CO_2$-Angebot in den Gefäßbündelzellen der C4-Pflanzen wird dort die Fotorespiration gering gehalten. In den Mesophyllzellen gibt es diese Konkurrenz erst gar nicht, da die PEP-Carboxylase keine Oxygenasereaktion katalysiert.

    Die C4-Fotosynthese läuft auch bei niedrigem $CO_2$-Gehalt ab. Dies ermöglicht es den Pflanzen, ihre Stomata bei Wasserknappheit länger geschlossen zu halten.

  • Bestimme, welche Pflanzen C3- und welche C4-Pflanzen sind.

    Tipps

    Mais und Hirse bevorzugen einen warmen Standort.

    Lösung

    Zu den C3-Pflanzen zählen u.a. die Gräser. Dazu gehören auch Nutzpflanzen wie Weizen, Roggen und Hafer.

    Die C4-Pflanzen findest du vor allem an trockenen und heißen Standorten. Zu ihnen zählen Maispflanzen, Zuckerrohr und auch Hirse.

  • Bestimme die Reihenfolge des Calvin- Zyklus.

    Tipps

    Der Calvin-Zyklus lässt sich in die drei Phasen unterteilen: $CO_2$-Fixierung, Reduktion und Regeneration.

    Als Folge der Reduktion entsteht Glucose.

    Lösung

    Der Calvin-Zyklus findet als Sekundärreaktion im Stroma der Chloroplasten statt. Das in der Lichtreaktion gebildete NADPH und ATP wird hierbei benötigt. Außerdem benötigt wird Kohlenstoffdioxid.

    Er wird in drei Phasen untergliedert:

    1. Phase ist die Fixierung des Kohlenstoffdioxids (Carboxylierung).
    Das $CO_2$ wird durch die RUBISCO auf Ribulose-1,5-bisphosphat übertragen.
    1. Phase ist die Reduktionsphase.
    Hierbei zerfällt der entstandene C6-Körper rasch in zwei C3-Körper. Mit Hilfe von ATP wird 3-Phosphoglycerat in 1,3-Bisphosphoglycerat umgewandelt. Dieses wird reduziert zu Glycerinaldehy-3-phosphat. Eines dieser Glycerinaldehy-3-phosphate wird ausgeschleust, daraus wird u.a. Glucose.

    Die 3. Phase ist die Regeneration des $CO_2$-Akzeptors. Hierbei werden die übrigen Glycerinaldehy-3-phosphate wieder zu Ribulose-1,5-bisphosphat umgewandelt. Der Kreislauf beginnt von vorne.