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Der Calvin-Zyklus vereinfacht dargestellt

Das Pflanzen Fotosynthese betreiben, wissen Sie. Dass so aus CO2 vereinfacht Sauerstoff entsteht, ist Ihnen auch bekannt. Was der Calvin-Zyklus damit aber zu tun haben soll, ist Ihnen noch unklar? Schade, denn eigentlich handelt es sich bei dem Phänomen um einen interessanten, biochemischen Prozess.

Der Calvin-Zyklus ist Teil der Fotosynthese, bei der CO2 zu Sauerstoff wird.
Der Calvin-Zyklus ist Teil der Fotosynthese, bei der CO2 zu Sauerstoff wird.

Stoffwechselprozesse von Pflanzen und Bakterien

In der Synthesephase der Dunkelreaktion entsteht Glycerinaldehyd-3-phosphat.
In der Synthesephase der Dunkelreaktion entsteht Glycerinaldehyd-3-phosphat. © Sima Moussavian

Der Calvin-Zyklus, oft auch als Calvin-Benson-Zyklus oder Ribulosebisphosphatzyklus bezeichnet, geht auf die Biochemiker Calvin und Benson zurück. Er betrifft alle Photosynthese betreibenden Lebewesen. Damit ist er Teil des pflanzlichen und bakteriellen Stoffwechsels und entspricht der zyklischen Abfolge von chemischen Einzelreaktionen. Die Umwandlung von CO2 in Glucose ist hauptsächliches Ziel des Zyklus'. 

  • Während Mensch und Tier organische Stoffe zum Stoffwechsel aufnehmen, greifen Pflanzen und Bakterien auf anorganische Stoffe wie CO2 zurück. Ihre Stoffwechselrate ist daher höher, als bei Mensch oder Tier. 
  • Anders als Tiere und Menschen sind Pflanzen keine heterotrophen, sondern autotrophe Organismen. Das heißt, sie stellen während der Fotosynthese eigene Energie und eigene Nährstoffe her, indem sie Lichtenergie umwandeln.
  • Bei Bakterien ist der Stoffwechsel sehr unterschiedlich ausgeprägt. Einige sind beispielsweise chemoautotroph und wandeln Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoff um.
  • Der Stoffwechselvorgang von autotrophen Organismen erfordert als Ausgangsstoffe Wasser, COund Mineralstoffe, so beispielsweise über einen Bodentyp bestimmter Zusammensetzung. Da Temperaturen die Geschwindigkeit und das Produkt von Reaktionen beeinflussen, benötigen sie außerdem bestimmte Temperaturen.
  • Licht- und Dunkelreaktion sind die zwei Grundstadien des Stoffwechsels autotropher Lebewesen, also der Fotosynthese. Beide Reaktionen dienen der Nährstoffproduktion, wobei Sauerstoff als Abfallstoff anfällt.

Der Calvin-Zyklus ist eine andere Bezeichnung für das erste Stoffwechselstadium der Dunkelreaktion. Er betrifft damit das Spektrum aller Pflanzen, bis hin zu einigen Algengruppen und bestimmten Bakterienarten. Aber was genau geschieht eigentlich während der Dunkelreaktion?

Dunkelreaktion in der Fotosynthese vereinfacht erklärt

Betrachten Sie den pflanzlichen Stoffwechsel:

  • Zur Fotosynthese assimilieren die Organismen Kohlendioxid mithilfe von ATP und NADPH zu Sauerstoff und Kohlenstoff. Das ist die Dunkelreaktion.
  • Kohlendioxid wird im Zuge der Dunkelreaktion zunächst um mehrere Oxidationsstufen reduziert. Vereinfacht bedeutet das, von den beiden ausgehenden O-Atomen spaltet sich je eines ab. Zur selben Zeit kommen zwei H-Atome hinzu, womit Glucose entsteht.
  • Diese Glucose besteht aus sechs der Einheiten H-C-OH. C-C-Verbindungen verbinden die sechs Einzeleinheiten miteinander. 
  • An diesen Zyklus schließt die ebenso zyklische Lichtreaktion an, während der neben Sauerstoff die Ausgangsstoffe ATP und NADPH wieder hergestellt werden. So kann das Spiel von vorne beginnen.
Fructose-1,6-diphosphat ist Produkt des ersten Reorganisationsphasen-Schrittes.
Fructose-1,6-diphosphat ist Produkt des ersten Reorganisationsphasen-Schrittes. © Sima Moussavian

Diese Beschreibung gibt die Dunkelreaktion im Rahmen der Fotosynthese nur äußerst vereinfacht wieder. Falls Sie sich für die detaillierten Einzelabläufe interessieren, hilft Ihnen der folgende Abschnitt vielleicht weiter.

Der Calvin-Zyklus ausführlich

Der Calvin-Zyklus besteht aus Synthese- und Reorganisationsphase.

  • Die Zusammenfassung: Kohlendioxid bindet sich zu Anfang des Zyklus an C5-Molekül, das sogenanntes Ribulose-1,5-diphosphat. Dabei entsteht ein C6-Körper, der sich daraufhin sechsmal teilt.
  • Bei dieser Teilung ergeben sich je zwei instabile C3-Körper, also insgesamt zwölf C3-Körper, Phospho-Glycerat-Moleküle genannt. Mithilfe der Oxidationsstoffe ATP und NADH reduziert der Organismus diese zwölf C3-Körper. Bei diesen zwölf Molekülen handelt es sich um Glycerinaldehyd-3-phosphat-Moleküle.
  • Zwei davon verwendet der Organismus weiter zur Glucoseherstellung. Abschließend werden die übrigen C3-Körper durch ATPs zurück in C5-Körper verwandelt, was der Reorganisationsphase entspricht.
  • Diese Reorganisationsphase ist der komplexeste Teil des Zyklus'. Aus vier C3-Körpern entstehen anfangs je zwei C6-Körper, sogenanntes Fructose-1,6-diphosphat. Mit zwei zusätzlichen C3-Körpern entstehen daraus je zwei C4-Körper, die sich Erythrose-4-Phosphat nennen. Gleichzeitig bilden sich zwei C5-Körper, Ribulose-5-Phosphat genannt.
  • Die C4-Körper reagieren danach je mit zwei zusätzlichen C3-Körpern zu zwei C7-Körpern, die man Sedoheptulose-1,7-diphosphat nennt.  Diese zwei Körper reagieren mit wieder zwei C3-Körpern zu vier C5-Körpern. So regeneriert sich viermal Ribulose-5-Phosphat.
  • C3-Körper gibt es jetzt keine mehr, aber sechs Ribulose-5-Phosphat sind noch übrig. Die entsprechen einer Vorstufe des Ribulose-1,5-diphosphat, das am Anfang des Calvin-Zyklus als Andockstelle des Kohlendioxids dient. Über einen Phospholisierungsschritt entstehen aus dieser Vorstufe mithilfe von je sechs ATP die Ribulose-1,5-diphosphat-Moleküle. Der Zyklus beginnt jetzt von vorne.
Ribulose-5-Phosphat entsteht im zweiten Schritt der Reorganisation.
Ribulose-5-Phosphat entsteht im zweiten Schritt der Reorganisation. © Sima Moussavian

Interessant ist dieser Vorgang allemal. Ihr Wissen über die Fotosynthese von Pflanzen hat sich damit deutlich erweitert. Anhand der Skizzen werden Sie den komplexen Prozess noch besser nachvollziehen können. 

Mit Ribulose-1,5-diphosphat kann der Prozess von vorne beginnen.
Mit Ribulose-1,5-diphosphat kann der Prozess von vorne beginnen. © Sima Moussavian
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