Der Weg des markierten Kohlenstoffs
AFB I–IIIUm 1950 klärten Melvin CALVIN, Andrew BENSON und James BASSHAM auf, wie Pflanzen CO₂ in Zucker einbauen. Sie belichteten Grünalgen (Chlorella) in einem flachen Glasgefäß („Lollipop“), gaben radioaktiv markiertes ¹⁴CO₂ (als Hydrogencarbonat) hinzu und ließen die Suspension nach unterschiedlichen Zeiten in siedendes Ethanol ab. Die Zellextrakte wurden durch zweidimensionale Papierchromatografie getrennt und die markierten Stoffe mit Autoradiografie nachgewiesen (M1).
In einem zweiten Versuch wurden Algen so lange mit ¹⁴CO₂ belichtet, bis alle Zwischenprodukte gleichmäßig markiert waren. Dann wurde bei unveränderter CO₂-Versorgung das Licht ausgeschaltet (M2).
| Zeit mit ¹⁴CO₂ | 3-PG | Zuckerphosphate | RuBP | Saccharose | sonstige |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 s | 85 | 5 | 0 | 0 | 10 |
| 5 s | 70 | 15 | 2 | 0 | 13 |
| 15 s | 45 | 30 | 6 | 5 | 14 |
| 30 s | 30 | 35 | 8 | 12 | 15 |
| 60 s | 20 | 30 | 8 | 22 | 20 |
- Beschreiben Sie das Prinzip der Tracer-Methode und begründen Sie kurz die einzelnen Arbeitsschritte (Abtöten in Ethanol, Chromatografie, Autoradiografie).
- Werten Sie M1 aus und leiten Sie daraus die Reihenfolge ab, in der der Kohlenstoff die Stoffe durchläuft.
- Erklären Sie die Verläufe in M2 und skizzieren Sie in Worten, wie sich 3-PG und RuBP verhalten müssten, wenn statt des Lichts das CO₂ entzogen würde.
- Ein Schüler folgert aus M1: „RuBP ist erst nach 5 s markiert und macht nie mehr als 8 % aus. Es kann daher nicht der Stoff sein, an den das CO₂ gebunden wird.“ Beurteilen Sie diese Aussage.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Beim Tracer-Verfahren wird ein Ausgangsstoff mit einem radioaktiven Isotop markiert (¹⁴C statt ¹²C). Es verhält sich chemisch gleich, lässt sich aber über seine Strahlung nachweisen. So kann man verfolgen, in welche Stoffe der Kohlenstoff des CO₂ nacheinander eingebaut wird.
Siedendes Ethanol denaturiert die Enzyme schlagartig; der Stoffwechsel wird zu einem genau definierten Zeitpunkt gestoppt und die Stoffe werden extrahiert. Die zweidimensionale Papierchromatografie trennt das Stoffgemisch in einzelne Flecken (zwei Laufmittel nacheinander, um 90° gedreht, für bessere Trennung). Ein aufgelegter Röntgenfilm wird nur dort geschwärzt, wo radioaktive Stoffe liegen (Autoradiografie); die Flecken werden durch Vergleich mit bekannten Stoffen identifiziert. Variiert man die Zeit, erhält man eine Zeitreihe.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Nach 2 s entfallen 85 % der Radioaktivität auf 3-PG; der Anteil sinkt danach stetig (20 % nach 60 s). 3-PG ist damit das erste stabile Produkt der CO₂-Fixierung.
Zuckerphosphate sind zunächst kaum markiert, erreichen nach 30 s ein Maximum (35 %) und nehmen dann leicht ab — sie werden aus 3-PG gebildet und weiterverarbeitet. RuBP wird nach 5 s markiert und erreicht rasch einen gleichbleibenden Anteil. Saccharose erscheint erst nach 15 s und nimmt stetig zu — sie ist ein Endprodukt.
Reihenfolge: \(\ce{CO2}\) → 3-PG → Zuckerphosphate (G3P, Hexosephosphate) → RuBP bzw. Saccharose. Die Markierung in RuBP zeigt, dass der Akzeptor aus Zuckerphosphaten zurückgebildet wird: Der Weg ist ein Kreislauf.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Vor dem Ausschalten sind Bildung und Verbrauch beider Stoffe im Gleichgewicht, die Werte sind konstant. Im Dunkeln liefern die Primärreaktionen kein ATP und NADPH mehr. Die Reduktion von 3-PG zu G3P stoppt, ebenso die ATP-abhängige Regeneration von RuBP. Rubisco braucht dagegen weder ATP noch NADPH und bindet CO₂ an das noch vorhandene RuBP weiter.
Folge: 3-PG wird gebildet, aber nicht mehr verbraucht — seine Menge steigt auf etwa das 2,5-Fache, bis kein RuBP mehr vorhanden ist. RuBP wird verbraucht, aber nicht nachgebildet — es fällt fast auf null.
Bei CO₂-Entzug im Licht stoppt dagegen die Fixierung, Reduktion und Regeneration laufen weiter: RuBP würde ansteigen, 3-PG absinken — die Verläufe wären spiegelbildlich zu M2.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage ist nicht haltbar. Der CO₂-Akzeptor wird nicht selbst markiert, wenn er CO₂ bindet — markiert wird das Produkt (3-PG). RuBP erhält seine Markierung erst, wenn es aus markierten Zuckerphosphaten regeneriert wurde; deshalb erscheint es später als 3-PG. Der kleine Anteil zeigt nur, dass die RuBP-Menge im Stroma gering ist und RuBP schnell umgesetzt wird — nicht, dass es unbeteiligt ist.
M2 stützt die Rolle von RuBP als Akzeptor: Im Dunkeln nimmt RuBP ab, während gleichzeitig 3-PG zunimmt — RuBP wird also (mit CO₂) zu 3-PG umgesetzt. Ein eindeutiger Nachweis gelingt durch den CO₂-Entzug (RuBP staut sich an). Urteil: Aus der späten, geringen Markierung allein lässt sich die Rolle von RuBP nicht ausschließen; die Daten sprechen zusammen mit M2 für RuBP als CO₂-Akzeptor.
Bilanz im Weizenfeld
AFB I–IIIM2 zeigt den Calvin-Zyklus für die Fixierung von drei CO₂-Molekülen. Einige Stoffe sind durch die Buchstaben X und Y ersetzt, einige Molekülzahlen fehlen (1)–(5). Ein Weizenbestand bindet an einem Sommermittag netto 1,8 g CO₂ pro m² Blattfläche und Stunde (Modellwert). Das Herbizid Diuron blockiert den Elektronentransport zwischen Fotosystem II und Fotosystem I in der Thylakoidmembran.
- Geben Sie die Namen der Phasen I–III sowie die Stoffe X und Y an.
- Bestimmen Sie die fehlenden Molekülzahlen (1)–(5) mithilfe einer Kohlenstoffbilanz.
- Ermitteln Sie für einen Quadratmeter Blattfläche und eine Stunde die gebildete Masse Glucose sowie die verbrauchten Stoffmengen an ATP und NADPH (\(M(\ce{CO2}) = 44\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\), \(M(\ce{C6H12O6}) = 180\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\)).
- Begründen Sie, warum Diuron auch die CO₂-Fixierung im Stroma zum Erliegen bringt, obwohl es kein Enzym des Calvin-Zyklus hemmt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Phase I: Fixierung (Carboxylierung), Phase II: Reduktion, Phase III: Regeneration des CO₂-Akzeptors RuBP.
X = ATP (Energie, in Phase II und III verbraucht), Y = NADPH (Reduktionsmittel, nur Phase II).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
C-Bilanz: \(3\cdot5 + 3\cdot1 = 18\) C \(= 6\cdot3\) C → (1) = 6 Moleküle 3-PG.
Je 3-PG ein ATP und ein NADPH: (2) = 6 ATP, (3) = 6 NADPH, (4) = 6 G3P.
Ein G3P wird entnommen, fünf bleiben: \(5\cdot3 = 15 = 3\cdot5\) → drei RuBP; dafür (5) = 3 ATP (je RuBP eines).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\ce{CO2}) = 1{,}8\,\mathrm{g} : 44\,\mathrm{g\,mol^{-1}} \approx 0{,}041\,\mathrm{mol}\)
\(n(\text{Glucose}) = 0{,}041\,\mathrm{mol} : 6 \approx 0{,}0068\,\mathrm{mol}\); \(m = 0{,}0068\,\mathrm{mol}\cdot180\,\mathrm{g\,mol^{-1}} \approx 1{,}2\,\mathrm{g}\)
ATP: \(3\cdot0{,}041\,\mathrm{mol} \approx 0{,}12\,\mathrm{mol}\); NADPH: \(2\cdot0{,}041\,\mathrm{mol} \approx 0{,}082\,\mathrm{mol}\).
(Glucose steht stellvertretend für alle gebildeten Kohlenhydrate.)
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Der Calvin-Zyklus ist über ATP/ADP + Pᵢ und NADPH/NADP⁺ an die Primärreaktionen gekoppelt. Diuron unterbricht den Elektronentransport: Ohne Elektronenfluss wird kein NADP⁺ zu NADPH reduziert, und es wird kein Protonengradient mehr aufgebaut, sodass die ATP-Synthase kein ATP bildet. Die Vorräte an ATP und NADPH im Stroma werden verbraucht; 3-PG kann nicht mehr reduziert und RuBP nicht mehr regeneriert werden. Ohne RuBP fehlt Rubisco der CO₂-Akzeptor — die Fixierung stoppt, obwohl das Enzym selbst intakt ist.