Photorespiration

Grundlagen und biochemische Ursache

Die Photorespiration, auch oxidativer photosynthetischer Kohlenstoffzyklus oder C₂-Zyklus genannt, ist ein Stoffwechselweg bei Organismen mit oxygener Photosynthese, also bei Pflanzen, Algen und Cyanobakterien. Sie tritt während der lichtabhängigen Kohlenstoffdioxidfixierung im Calvin-Zyklus auf. Dabei wird Sauerstoff verbraucht und Kohlenstoffdioxid freigesetzt; deshalb wird sie auch „Lichtatmung“ genannt. Mit der Zellatmung („Dunkelatmung“) ist sie jedoch nicht direkt verbunden.

Das Schlüsselenzym RuBisCO (Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/-Oxygenase) verwendet normalerweise Kohlenstoffdioxid und bildet aus Ribulose-1,5-bisphosphat zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat. Als Nebenreaktion kann RuBisCO aber auch Sauerstoff umsetzen. Dabei entstehen ein Molekül 3-Phosphoglycerat und ein Molekül 2-Phosphoglycolat. Dieses toxische Produkt kann nicht im Calvin-Zyklus verwendet werden und muss durch die Photorespiration zurückgewonnen werden.

RuBisCO besitzt eine höhere Affinität zu CO₂ als zu O₂. Die K_M-Werte betragen für CO₂ 9 µMol/l und für O₂ 350 µMol/l. Da Sauerstoff im Wasser jedoch etwa 20-mal häufiger vorkommt als CO₂, wird jedes vierte bis jedes zweite Molekül Ribulose-1,5-bisphosphat mit Sauerstoff umgesetzt.

Temperaturabhängigkeit

Mit steigender Temperatur sinkt das Verhältnis von gelöstem CO₂ zu O₂, weil die Löslichkeit von CO₂ stärker abnimmt als die von O₂. Bei 5 °C beträgt das Verhältnis CO₂/O₂ 0,0515, bei 15 °C 0,0462, bei 25 °C 0,0416 und bei 35 °C 0,0376. Zusätzlich schließen Pflanzen bei höheren Temperaturen ihre Spaltöffnungen, um Wasserverlust zu vermeiden. Dadurch gelangt weniger CO₂ in die Zellen, während durch Photolyse lokal mehr O₂ entsteht. Hohe Temperaturen fördern daher die Oxygenasereaktion und die Photorespiration.

Ablauf und Stickstoffkreislauf

Der Stoffwechselweg benötigt neun Enzyme und findet in höheren Pflanzen vor allem in Chloroplasten, Peroxisomen und Mitochondrien statt; auch das Cytosol ist beteiligt.

• Im Chloroplasten wird 2-Phosphoglycolat durch eine Phosphoglycolat-Phosphatase zu Glycolat dephosphoryliert.
• Glycolat gelangt in das Peroxisom und wird durch Glycolat-Oxidase zu Glyoxylat oxidiert. Dabei wird O₂ verbraucht und giftiges H₂O₂ gebildet, das durch Katalase zu Wasser und Sauerstoff abgebaut wird.
• Glyoxylat wird durch Transaminasen zu zwei Molekülen Glycin umgesetzt. Im Mitochondrium bilden diese mithilfe des Glycin-Decarboxylase-Komplexes und der Serin-Hydroxymethyltransferase ein Molekül L-Serin. Dabei werden CO₂ und NH₄⁺ freigesetzt. In C₃-Pflanzen werden 30–50 % des CO₂ wieder durch RuBisCO fixiert.
• Im Peroxisom wird Serin über Hydroxypyruvat zu D-Glycerat reduziert. Im Chloroplasten entsteht daraus unter ATP-Verbrauch 3-Phosphoglycerat, das wieder in den Calvin-Zyklus eintritt.

Das freigesetzte Ammonium wird nicht ausgeschieden, sondern im Chloroplasten zurückgewonnen. Die Glutamin-Synthetase bildet aus Glutamat und NH₄⁺ zunächst Glutamin. Die Glutamat-Synthase (GOGAT) erzeugt daraus zusammen mit α-Ketoglutarat zwei Moleküle Glutamat. Nahezu alles Ammonium wird refixiert; nur etwa 0,1 ‰ gehen verloren. Die Regeneration verbraucht ein Molekül ATP und zwei Moleküle reduziertes Ferredoxin:

NH₄⁺ + α-Ketoglutarat⁻ + ATP + 2 Fd_red → Glutamat + ADP + P_i + 2 Fd_ox

Vermeidung und biologische Bedeutung

Die Photorespiration ist energetisch kostspielig. Ohne sie werden pro fixiertem mol CO₂ 3 mol ATP und 2 mol NADPH benötigt. Bei einem Verhältnis von Carboxylierung zu Oxygenierung von 1 zu 0,25 steigt der Verbrauch auf 5,375 mol ATP und 3,5 mol NADPH. Der Kohlenstoffgewinn könnte ohne Photorespiration etwa 30 % höher sein. Dennoch verhindert der Weg den vollständigen Verlust des toxischen 2-Phosphoglycolats: Aus zwei Molekülen davon werden drei Kohlenstoffatome für den Calvin-Zyklus zurückgewonnen; ein CO₂-Molekül wird freigesetzt. Ohne Refixierung beträgt der Kohlenstoffverlust 25 %.

Grünalgen und Cyanobakterien konzentrieren CO₂ durch Pyrenoide beziehungsweise Carboxysomen. Landpflanzen entwickelten den C₄- und CAM-Stoffwechsel mit ATP-getriebenen CO₂-Pumpen. Dadurch tritt die Photorespiration bei C₄-Pflanzen wie Mais, Zuckerrohr und Sorghum deutlich schwächer auf.

Cyanobakterien besitzen ebenfalls einen 2-Phosphoglycolat-Stoffwechselweg, teilweise mit mehreren alternativen Wegen über Glyoxylat. Die Photorespiration kann außerdem toxische Metabolite begrenzen, zur Bildung von Glycin und Serin beitragen, die Nitratassimilation beeinflussen und unter Stress als Entlastung überschüssiger Reduktionsenergie dienen. H₂O₂ könnte zusätzlich als Signalmolekül für Wachstum und Stressantworten wirken.

Evolution und Welternährung

RuBisCO aller untersuchten Organismen akzeptiert sowohl CO₂ als auch O₂. CO₂-konzentrierende Mechanismen wie Carboxysomen entstanden vermutlich vor 360–300 Millionen Jahren. Die Gene für die Photorespiration blieben selbst in stark verkleinerten Genomen von Picoplankton erhalten. Nach der Endosymbiontentheorie stammen die Chloroplasten von Cyanobakterienvorläufern ab.

In C₃-Pflanzen verstärkt sich die Photorespiration besonders unter warmen und trockenen Bedingungen und kann dadurch Ernteerträge mindern. In Tabakpflanzen steigerte der direkte Abbau von 2-Phosphoglycolat im Chloroplasten die Lichtausnutzung um 17 % und die Ernteerträge um mehr als 40 %. Versuche, RuBisCO ausschließlich für CO₂ spezifischer zu machen, senkten jedoch häufig die Umsatzrate. Daher wird auch versucht, C₃-Pflanzen wie Reis gentechnisch in C₄-Pflanzen umzuwandeln.