Der Hauptunterschied zwischen C3- und C4-Pflanzen besteht darin, dass die C3-Pflanzen als erstes stabiles Produkt der Dunkelreaktion eine Verbindung mit drei Kohlenstoffatomen bilden, während die C4-Pflanzen als erstes stabiles Produkt der Dunkelreaktion eine Verbindung mit vier Kohlenstoffatomen bilden dunkle Reaktion.
Photosynthese ist ein lichtgetriebener Prozess, der Kohlendioxid und Wasser in Pflanzen, Algen und Cyanobakterien in energiereiche Zucker umwandelt. Während der Lichtreaktion der Photosynthese findet eine Photolyse von Wassermolekülen statt. Als Ergebnis der Photolyse von Wasser wird Sauerstoff als Nebenprodukt freigesetzt. Nach der Lichtreaktion beginnt die Dunkelreaktion und synthetisiert Kohlenhydrate durch Fixierung von Kohlendioxid. Der aus der Lichtreaktion erzeugte Sauerstoff kann sich jedoch an das Hauptenzym der Dunkelreaktion, die RuBP-Oxygenase-Carboxylase (Rubisco), binden und eine Photorespiration durchführen. Die Photorespiration ist ein Prozess, der Energie verschwendet und die Kohlenhydratsynthese verringert. Um die Photorespiration zu verhindern, gibt es daher drei verschiedene Möglichkeiten, wie die Dunkelreaktion in Pflanzen auftritt, um das Zusammentreffen von Sauerstoff mit Rubisco zu verhindern. Daher gibt es, abhängig von der Art und Weise, wie die Dunkelreaktion stattfindet, 3 Arten von Pflanzen; nämlich C3-Pflanzen, C4-Pflanzen und CAM-Pflanzen.
Was sind C3-Pflanzen?
Etwa 95% der Pflanzen auf der Erde sind C3-Pflanzen. Wie der Name schon sagt, führen sie den C3-Photosynthesemechanismus durch, der den Calvin-Zyklus darstellt. Es wird angenommen, dass die C3-Photosynthese vor fast 3,5 Milliarden Jahren entstanden ist. Diese Pflanzen sind meist holzige und rundblättrige Pflanzen. In diesen Pflanzen findet die Kohlenstofffixierung in den Mesophyllzellen statt, die direkt unter der Epidermis liegen.
Kohlendioxid gelangt aus der Atmosphäre durch die Stomata in die Mesophyllzellen. Dann beginnt die Dunkelreaktion. Die erste Reaktion ist die Fixierung von Kohlendioxid mit Ribulose-Bisphosphat zu Phosphoglycerat, das eine Verbindung mit drei Kohlenstoffatomen ist. Tatsächlich ist es das erste stabile Produkt der C3-Pflanzen. Ribulose-Bisphosphat-Carboxylase (Rubisco) ist das Enzym, das diese Carboxylierungsreaktion in Pflanzen katalysiert. Ebenso findet der Calvin-Zyklus zyklisch statt, während Kohlenhydrate produziert werden.
Abbildung 01: C3-Anlagen
Im Vergleich zu C4-Pflanzen sind C3-Pflanzen hinsichtlich ihres Photosynthesemechanismus ineffizient. Dies liegt an dem Auftreten von Photorespiration in C3-Pflanzen. Die Photorespiration erfolgt aufgrund der Oxygenase-Aktivität des Rubisco-Enzyms. Die Oxygenierung von Rubisco wirkt in die entgegengesetzte Richtung zur Carboxylierung, macht die Photosynthese effektiv rückgängig, indem große Mengen an Kohlenstoff verschwendet werden, die ursprünglich durch den Calvin-Zyklus mit großem Aufwand fixiert wurden, und führt zu einem Verlust von Kohlendioxid aus den Zellen, die Kohlendioxid fixieren. Ebenso findet die Wechselwirkung mit Sauerstoff und Kohlendioxid am selben Ort auf Rubisco statt. Diese konkurrierenden Reaktionen laufen normalerweise im Verhältnis 3:1 (Kohlenstoff:Sauerstoff) ab. Somit ist klar, dass die Photorespiration ein lichtstimulierter Prozess ist, der Sauerstoff verbraucht und Kohlendioxid freisetzt.
Was sind C4-Pflanzen?
C4-Pflanzen kommen in trockenen Gebieten mit hohen Temperaturen vor. Etwa 1 % der Pflanzenarten haben eine C4-Biochemie. Einige Beispiele für C4-Pflanzen sind Mais und Zuckerrohr. Wie der Name schon sagt, führen diese Pflanzen den C4-Photosynthesemechanismus durch. Es wird angenommen, dass die C4-Photosynthese vor fast 12 Millionen Jahren entstanden ist; lange nach der Evolution des C3-Mechanismus. C4-Pflanzen sind jetzt möglicherweise besser angepasst, da die aktuellen Kohlendioxidwerte viel niedriger sind als vor 100 Millionen Jahren.
C4-Pflanzen binden Kohlendioxid viel effizienter. Darüber hinaus findet sich C4-Photosynthese sowohl in einkeimblättrigen als auch in zweikeimblättrigen Arten. Im Gegensatz zu C3-Pflanzen ist das erste stabile Produkt, das während der Photosynthese gebildet wird, Oxalessigsäure, eine Verbindung mit vier Kohlenstoffatomen. Am wichtigsten ist, dass die Blätter dieser Pflanzen eine besondere Anatomie namens „Kranz-Anatomie“aufweisen. Es gibt einen Kreis von Bündelscheidenzellen mit Chloroplasten um Leitbündel, an denen C4-Pflanzen identifiziert werden können.
Abbildung 02: C4-Anlagen
Auf diesem Weg erfolgt die Kohlendioxidfixierung zweimal. Im Zytoplasma der Mesophyllzellen fixiert CO2 zuerst mit Phosphoenolpyruvat (PEP), das als primärer Akzeptor fungiert. Die Reaktion wird durch das Enzym PEP-Carboxylase katalysiert. Dann wandelt sich PEP in Malat und dann in Pyruvat um, wodurch CO2 freigesetzt wird, und dieses CO2wird zum zweiten Mal mit Ribulose-Bisphosphat fixiert, um 2 zu bilden Phosphoglycerat zur Durchführung des Calvin-Zyklus.
Was sind die Ähnlichkeiten zwischen C3- und C4-Pflanzen?
- Sowohl C3- als auch C4-Pflanzen binden Kohlendioxid und produzieren Kohlenhydrate.
- Sie führen eine dunkle Reaktion aus.
- Zudem führen beide Pflanzenarten die gleiche Lichtreaktion aus.
- Außerdem haben sie Chloroplasten für die Photosynthese.
- Ihre photosynthetische Gleichung ist ähnlich.
- Außerdem ist RuBP an der Dunkelreaktion beider Pflanzenarten beteiligt.
- Beide Pflanzen produzieren Phosphoglycerat.
Was ist der Unterschied zwischen C3- und C4-Pflanzen?
C3-Pflanzen produzieren Phosphoglycerinsäure als erstes stabiles Produkt der Dunkelreaktion. Es ist eine Drei-Kohlenstoff-Verbindung. Andererseits produzieren C4-Pflanzen Oxalessigsäure als erstes stabiles Produkt der Dunkelreaktion. Es ist eine Verbindung mit vier Kohlenstoffatomen. Daher ist dies der Hauptunterschied zwischen C3- und C4-Pflanzen.
Außerdem ist die photosynthetische Effizienz von C3-Pflanzen geringer als die photosynthetische Effizienz von C4-Pflanzen. Dies liegt an der bei C3-Pflanzen beobachteten Photorespiration, die bei C4-Pflanzen vernachlässigbar ist. Somit ist es ein weiterer Unterschied zwischen C3- und C4-Pflanzen. Wenn man die strukturellen Unterschiede betrachtet, haben C3-Pflanzen keine zwei Arten von Chloroplasten und keine Kranz-Anatomie in Blättern. Andererseits haben C4-Pflanzen zwei Arten von Chloroplasten und zeigen Kranz-Anatomie in Blättern. Daher ist es auch ein Unterschied zwischen C3- und C4-Pflanzen.
Darüber hinaus besteht ein weiterer Unterschied zwischen C3- und C4-Pflanzen darin, dass die C3-Pflanzen Kohlendioxid nur einmal binden, während C4-Pflanzen Kohlendioxid zweimal binden. Aufgrund dieser Tatsache ist die C-Assimilation in C3-Pflanzen geringer, während die C-Assimilation in C4-Pflanzen hoch ist. Darüber hinaus können C4-Pflanzen bei geschlossenen Sp altöffnungen und bei sehr hohen Lichtkonzentrationen und niedrigen CO2 -Konzentrationen Photosynthese betreiben. Allerdings können C3-Pflanzen bei geschlossenen Sp altöffnungen und bei sehr hohen Lichtkonzentrationen und niedrigen CO2 -Konzentrationen keine Photosynthese betreiben. Daher ist dies auch ein signifikanter Unterschied zwischen C3- und C4-Pflanzen. Außerdem unterscheiden sich C3-Pflanzen und C4-Pflanzen vom ersten Kohlendioxidakzeptor. RuBP ist der CO2-Akzeptor in C3-Pflanzen, während PEP der erste CO2-Akzeptor in C4-Pflanzen ist.
Zusammenfassung – C3- vs. C4-Pflanzen
C3 und C4 sind zwei Arten von Pflanzen. C3-Pflanzen sind sehr verbreitet, während C4-Pflanzen sehr selten sind. Der Hauptunterschied zwischen C3- und C4-Pflanzen hängt vom ersten Kohlenstoffprodukt ab, das sie während der Dunkelreaktion produzieren. C3-Pflanzen führen den Calvin-Zyklus durch und produzieren eine Drei-Kohlenstoff-Verbindung als erstes stabiles Produkt, während die C4-Pflanzen den C4-Mechanismus ausführen und Vier-Kohlenstoff-Verbindungen als erstes stabiles Produkt produzieren. Darüber hinaus zeigen C3-Pflanzen eine geringere Photosyntheseeffizienz, während C4-Pflanzen eine hohe Photosyntheseeffizienz aufweisen. Darüber hinaus haben C3-Pflanzen keine Kranz-Anatomie in den Blättern, und sie haben auch keine zwei Arten von Chloroplasten. Auf der anderen Seite haben C4-Pflanzen Kranz-Anatomie in ihren Blättern, und sie haben auch zwei Arten von Chloroplasten. Dies ist also die Zusammenfassung der C3- und C4-Pflanzen.
