Beurteilen Sie die Aussage,, RuBisCo kann durch Ursache und Folgen des Klimawandes besser Arbeiten?
Beurteilen Sie die Aussage,, RuBisCo kann durch Ursache und Folgen des Klimawandes besser Arbeiten?
Gehen Sie dabei auf seine Funktion im Hinblick auf die Fotosynthese ein. Könntet ihr mich helfen. Ich brauche es dringend.
3 Antworten
Durch den Klimawandel ergeben sich zwei Folgen:
- Anstieg der Durchschnittstemperatur
- Anstieg der Kohlendioxidkonzentration (CO2) in der Luft
RuBisCO ist das Enzym, das in der Photosynthese die Fixierung des Kohlendioxids katalysiert, indem es je ein CO2 an ein Ribulose-1.5-bisphosphat (C5H12O11P2) verknüpft, das daraufhin in zwei C3-Körper (3-Phosphoglycerat, C3H7O7P) zerfällt.
Wie alle Enzyme ist die Reaktionsgeschwindigkeit der RuBisCO abhängig von verschiedenen Faktoren. Ein wesentlicher Einflussfaktor ist die Temperatur. Entsprechend der RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Regel oder van'-'-Hoff'sche Regel) nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung von 10 K ungefähr um das Doppelte bis Dreifache (manchmal sogar um das Vierfache) zu. Je wärmer es ist, umso schneller kann also das Enzym arbeiten. Das wird in der Abb. 1 deutlich: je höher die Temperatur ist, umso höher ist die Affinität der RuBisCO zu ihrem Substrat (CO2). Steigt die Temperatur aber zu stark an, denaturiert das Enzym - durch die Hitzeeinwirkung verändert sich seine Sekundärstruktur und das Enzym geht gewissermaßen kaputt. Bei RuBisCo ist das der Fall, wenn die Temperatur über 55 °C steigt (siehe Abb. 1).
Zum anderen hängt die Reaktionsgeschwindigkeit eines Enzyms auch von der Substratkonzentration ab. Je mehr CO2 vorhanden ist, umso mehr davon kann RuBisCO umsetzen. Zumindest ist das der Fall bis eine Substratsättigung erreicht ist und damit auch eine maximale Reaktionsgeschwindigkeit. Wenn mehr Substrat vorhanden ist als die RuBisCO gleichzeitig umsetzen kann, kann weiteres CO2 erst wieder umesetzt werden, wenn ein RuBisCO wieder "frei" wird. Das kann man sich ein bisschen vorstellen wie Pfandflaschenautomaten im Supermarkt: wenn an allen Automaten schon jemand steht, aber mehr Kunden ihre Flaschen abgeben wollen, bildet sich eine Schlange und der nächste kann seine Flaschen erst abgeben, wenn wieder ein Automat frei wird. Den Einfluss des Substrats auf die Effektivität der RuBisCo kannst du in Tab. 1 sehen. Bei einem höheren Gehalt an CO2 in der Luft (600 ppm, das bedeutet "parts per million") hat die Pflanze sowohl mehr Blätter als auch eine größere Blattoberfläche, die Biomasseproduktion nimmt also zu.
Wir erwarten somit, zumindest theoretisch, dass der Klimawandel infolge der höheren Temperaturen (RGT-Regel) und durch den erhöhten Gehalt an CO2 in der Atmosphäre (Erhöhung der Substratkonzentration) die Aktivität der RuBisCO begünstigen und somit im Ganzen auch die Photosyntheseleistung gesteigert werden sollte.
Tatsächlich aber ist das genaue Gegenteil zu erwarten. Infolge des Klimawandels wird die Photosyntheseleistung der Pflanzen sogar noch zurück gehen. Zum einen bedeuten höhere Temperaturen auch, dass Pflanzen mit längeren Trockenperioden und insgesamt mit weniger Wasser auskommen müssen. Da Pflanzen für die Photosynthese aber neben Kohlendioxid auch Wasser benötigen, hängt die Photosyntheserate auch von der Menge des vorhandenen Wassers ab. Zudem schließen Pflanzen bei hohen Temperaturen ihre Spaltöffnungen, um Wasser zu sparen. Bei geschlossenen Spaltöffnungen nimmt die Pflanze aber kein CO2 mehr aus der Luft auf, da der Gasaustausch ebenfalls über die Spaltöffnungen erfolgt.
Und dann gibt es da noch das Problem der Photorespiration. RuBisCO akzeptiert neben CO2 nämlich auch Sauerstoff (O2) als Substrat, sie hat also neben ihrer Carboxylase- auch eine Oxygenasefunktion. Wenn RuBisCo ein Sauerstoffmolekül erwischt, entsteht statt dem C3-Körper Phosphoglycerat der C2-Körper 2-Phosphoglykolat. Dieses ist in höheren Konzentrationen giftig und muss daher abgebaut werden und genau diesen Abbauprozess nennt man Photorespiration. Sie verbraucht hohe Mengen an O2 und Energie und wird deshalb auch Lichtatmung genannt. Die RuBisCO hat zwar zum Kohlendioxid eine höhere Affinität als zum Sauerstoff, aber der Gehalt an Sauerstoff in der Luft ist viel höher und mit der steigenden Temperatur nimmt die Löslichkeit der Gase im Wasser in ungleichem Maß ab; für CO2 stärker als für O2. Das hat zur Folge, dass sich das Verhältnis von CO2 zu O2 verschiebt. Je stärker das Verhältnis aber in Richtung des Sauerstoffs verschoben ist, umso häufiger übt die RuBisCO ihre Oxygenasefunktion aus. Verstärkt wird das dann noch dadurch, dass die Pflanze bei hoher Temperatur wie oben schon geschrieben ihre Stomata verschließt. Sie nimmt dann keinen CO2 mehr auf, aber gleichzeitig wird weiterhin in der Primärreaktion der Photosynthese Wasser photolytisch gespalten, wobei O2 entsteht.
aus der Tabelle geht auch hervor, dass höhere CO2-Konzentrationen in der Luft die Photosyntheseleistung verbessern, da mehr Biomasse gebildet wird (Blätter pro Pflanze, Blattfläche). Und CO2 ist ja das Substrat des Enzyms RuBisCo. Eine Steigerung der Substratkonzentration durch den Klimawandel scheint sich auch günstig auszuwirken.
RuBisCo ist ein Enzym. Bei höheren Temperaturen arbeitet es also schneller (bis ca. 60° --> Denaturierung).
Wenn es also durch den Klimawandel wärmer wird kann die Dunkelreaktion schneller ablaufen, wodurch auch mehr CO2 aus der Luft gebunden wird.