Im Zentrum der globalen landwirtschaftlichen Produktion steht ein grundlegendes Problem des Energieverlusts. Dieser Energieverlust – die Photorespiration – führt dazu, dass Pflanzen Energie verschwenden und CO₂ freisetzen, das nur teilweise wieder aufgenommen wird. C3-Pflanzen, die mehr als 85 % aller Pflanzenarten ausmachen, sind wichtige Nahrungsquellen. Bei ihnen geht Energie durch eine Fehlreaktion verloren, die vom Enzym RuBisCO katalysiert wird: Es fixiert Sauerstoff statt Kohlendioxid. Dadurch wird CO₂ freigesetzt, und Energie geht verloren.
Ein Biologie-Diagramm ist hilfreich, um die dabei ablaufenden Veränderungen anschaulich zu machen. In diesem Leitfaden finden Sie ein leicht verständliches Diagramm-Tutorial in EdrawMax, das alle wichtigen Schritte und Ereignisse abdeckt. Sie können die Vorlage online bearbeiten oder Ihr eigenes Diagramm erstellen. Darüber hinaus lassen sich auch Online-Vorlagen in verschiedenen digitalen Tools nutzen.
In diesem Artikel
Was ist Photorespiration?
Photorespiration ist ein Prozess, der bei grünen Pflanzen während der Photosynthese auftreten kann. Pflanzen stellen ihre „Nahrung“ her, indem sie Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid nutzen. Diese organische Substanz liefert der Pflanze Energie und unterstützt ihr Wachstum. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Enzym RuBisCO (Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase).
RuBisCO-Oxygenierung
RuBisCO hilft Pflanzen, Kohlendioxid aus der Luft zu fixieren – ein früher Schritt in der Bildung energiereicher Verbindungen. RuBisCO hat jedoch eine Schwäche: Es kann Kohlendioxid und Sauerstoff nicht eindeutig unterscheiden. Deshalb reagiert RuBisCO gelegentlich mit Sauerstoff statt mit Kohlendioxid. Wissenschaftlich wird diese Reaktion als RuBisCO-Oxygenierung bezeichnet.
Die RuBisCO-Oxygenierung löst die Photorespiration aus. Sie tritt häufig unter heißen, trockenen Bedingungen auf. Bei großer Hitze schließen Pflanzen ihre Spaltöffnungen (Stomata), um Wasser zu sparen. Dadurch sinkt die CO₂-Konzentration im Blatt, während der Sauerstoffanteil steigt. In der Folge nutzt RuBisCO Sauerstoff häufiger als Substrat.
Wenn RuBisCO mit Sauerstoff reagiert, entstehen zwei Produkte: eine 3-C-Verbindung (3-PGA; 3-Phosphoglycerat), die für die Pflanze nützlich ist, sowie Phosphoglykolat, das problematisch ist. Dieses Nebenprodukt trägt nicht zur Zuckerbildung bei und muss rasch abgebaut werden, damit die Pflanze funktionsfähig bleibt.
Für den Abbau des schädlichen Nebenprodukts muss die Pflanze Energie aufwenden. Dabei wird Kohlendioxid an die Umgebung abgegeben. Zudem wird ATP verbraucht, ohne dass während der Photorespiration Glukose gebildet wird. Insgesamt führt Photorespiration daher zu einem Energieverlust.
Außerdem verringert Photorespiration die Photosyntheserate. Sie verlangsamt das Pflanzenwachstum und reduziert die Biomasse- bzw. Nahrungsproduktion. Der Prozess tritt vor allem bei C3-Pflanzen wie Weizen, Reis, Gerste und Hafer auf – insbesondere in warmen Klimazonen können diese Pflanzen stärker beeinträchtigt sein.
Viele Forschende betrachten Photorespiration als „ineffizienten“ Prozess: Sie kostet Energie, setzt Kohlendioxid frei und kann den Ertrag von Kulturpflanzen verringern. Für die Landwirtschaft ist das relevant, weil Photorespiration die Menge an Assimilaten reduziert, die Pflanzen potenziell produzieren können.
Photorespirationsweg
Drei-Organellen-Prozess
Der Photorespirationsweg umfasst mehrere Schritte und involviert drei Organellen der Pflanzenzelle: den Chloroplasten, das Peroxisom und das Mitochondrium. Daher wird Photorespiration häufig als Drei-Organellen-Prozess beschrieben.
Der Weg beginnt im Chloroplasten: Dort reagiert RuBisCO mit Sauerstoff und es entsteht eine problematische Verbindung. Der Chloroplast wandelt diese in Glykolat um; anschließend wird Glykolat in das Peroxisom transportiert.
Im Peroxisom wird Glykolat zu Glycin umgewandelt. Dabei entsteht auch Wasserstoffperoxid, das die Zelle schädigen kann. Spezielle Enzyme im Peroxisom bauen Wasserstoffperoxid schnell ab und schützen so die Pflanzenzelle vor oxidativem Schaden.
Anschließend wird Glycin in das Mitochondrium transportiert. Dort werden zwei Glycinmoleküle zu einem Serinmolekül umgewandelt. In diesem Schritt werden Kohlendioxid und Ammoniak freigesetzt – damit gehen zuvor fixierter Kohlenstoff und Stickstoff teilweise verloren.
Serin gelangt danach zurück ins Peroxisom, wird dort weiter umgebaut und schließlich wieder in den Chloroplasten zurückgeführt. Im Chloroplasten wird RuBP (Ribulose-1,5-bisphosphat) regeneriert, sodass es erneut an der Photosynthese teilnehmen kann.
Obwohl die Pflanze einen Teil des Materials zurückgewinnt, führt der Weg insgesamt zu einem erheblichen Energieverlust. Während der Photorespiration wird ATP verbraucht, und die zuvor fixierte CO₂-Menge wird teilweise wieder abgegeben.
Dieser Energieverlust senkt die Effizienz der Photosynthese. Pflanzen wachsen langsamer, Blätter produzieren weniger Assimilate, und Kulturpflanzen können geringere Erträge liefern. Besonders in heißen Regionen kann dies zu spürbaren Einschränkungen führen.
Photorespiration erhöht zudem den Stress für Pflanzen: In trockenen Klimazonen werden Pflanzen anfälliger und weniger leistungsfähig. Diese Zusammenhänge erklären mit, warum viele C3-Pflanzen in sehr heißen Umgebungen schlechter gedeihen.
C4- und CAM-Anpassungen
Photorespiration vermeiden
Einige Pflanzen haben spezielle Anpassungen entwickelt, um Photorespiration zu reduzieren. Dazu gehören C4-Pflanzen und CAM-Pflanzen. Sie leben häufig in heißen, trockenen Regionen und nutzen Strategien, um die Auswirkungen der RuBisCO-Oxygenierung zu verringern.
Zu den C4-Pflanzen zählen unter anderem Mais, Zuckerrohr und Sorghum. Sie fixieren Kohlendioxid zunächst in Mesophyllzellen und bilden dabei eine Vier-Kohlenstoff-Verbindung, das Oxalacetat, das anschließend in Bündelscheidenzellen transportiert wird.
In den Bündelscheidenzellen arbeitet RuBisCO in einer Umgebung mit hoher CO₂-Konzentration. Unter diesen Bedingungen reagiert RuBisCO deutlich seltener mit Sauerstoff. Dadurch wird Photorespiration stark reduziert. C4-Pflanzen können unter heißen Bedingungen effizienter Assimilate bilden und wachsen häufig schneller.
C4-Pflanzen weisen außerdem oft eine höhere Wassernutzungseffizienz auf. Ihre Spaltöffnungen bleiben teilweise geschlossen, wodurch Wasserverlust und Sauerstoffeintritt reduziert werden. Diese Anpassung unterstützt das Überleben in trockenen Habitaten.
CAM-Pflanzen (z. B. Kakteen, Ananas und Aloe vera) verfolgen eine andere Strategie: Sie öffnen ihre Spaltöffnungen nachts. Dann ist es kühler, und der Wasserverlust bleibt geringer. CAM-Pflanzen nehmen CO₂ daher überwiegend nachts auf.
Das aufgenommene Kohlendioxid wird bei CAM-Pflanzen in organischen Säuren gespeichert. Am Tag bleiben die Spaltöffnungen geschlossen, und das gespeicherte CO₂ wird im Blattinneren wieder freigesetzt – RuBisCO kann es dann bevorzugt nutzen.
CAM-Pflanzen reduzieren Photorespiration, indem sie Gasaustausch und Photosynthese zeitlich trennen. Das spart Wasser und Energie und ermöglicht ein gutes Überleben in Wüstenregionen.
Sowohl C4- als auch CAM-Anpassungen senken Photorespiration und verbessern die Photosyntheseleistung. Dadurch zeigen diese Pflanzen häufig ein besseres Wachstum unter ungünstigen Umweltbedingungen.
Photorespirations-Diagramm mit EdrawMax erstellen
Sie können in EdrawMax kostenlos ein Photorespirations-Diagramm erstellen. Dafür stehen Ihnen unter anderem folgende Funktionen für Biologie-Diagramme zur Verfügung:
- Kostenlose Vorlagen, Symbole und Icons für Biologie-Diagramme
- Verbinder-Werkzeuge
- Drag-and-drop-Funktionen
- Formen für Organellen und weitere Komponenten
- Mehrere Exportoptionen (z. B. als Bild, Dokument oder GIF) in hoher Auflösung
Im Folgenden erstellen Sie ein Photorespirations-Diagramm von Grund auf – Schritt für Schritt.
Schritt 1 Pflanzbiologie-Vorlagen auswählen
- Öffnen Sie EdrawMax und melden Sie sich an. Klicken Sie anschließend links auf die Schaltfläche „Neu“. Im Vorlagenbereich können Sie fertige Vorlagen für die Pflanzenbiologie auswählen, z. B. für Photosynthese oder Zellstruktur.
- Sie können eine Vorlage auswählen oder alternativ eine leere Zeichnung starten, um das Diagramm von Grund auf zu erstellen.
Schritt 2 Den Drei-Organellen-Weg zeichnen
- Nutzen Sie Grundformen und Symbole aus der Symbolbibliothek und ziehen Sie sie per Drag-and-drop auf die Zeichenfläche. Zeichnen Sie Formen für Mitochondrien (bohnenförmig), Chloroplasten (oval mit inneren Membranstapeln) und Peroxisomen (kleiner Kreis).
- Ordnen Sie diese Formen in einem dreieckigen Ablauf an, sodass der Photorespirationsweg die drei Bereiche miteinander verbindet. Verwenden Sie anschließend Pfeile, um die Schleife des Weges darzustellen:
- Vom Chloroplasten zum Peroxisom
- Vom Peroxisom zum Mitochondrium
- Vom Mitochondrium zurück zum Peroxisom und schließlich zurück zum Chloroplasten
Schritt 3 RuBisCO-Reaktionen darstellen
- Platzieren Sie ein Textfeld für das Enzym RuBisCO im Chloroplasten.
- Zeichnen Sie zwei Reaktionswege. Beschriften Sie einen Pfeil mit CO₂ (Carboxylierung), der in den Calvin-Zyklus und die Zuckerbildung führt – dieser Weg ist für die Pflanze nützlich.
- Zeichnen Sie einen zweiten Pfeil für die Oxygenierung (O₂), die als ineffizienter Nebenweg gilt. So markieren Sie den Abzweig aus dem Chloroplasten in den Photorespirationsweg.
- Verwenden Sie unterschiedliche Farben, um O₂- und CO₂-Reaktionen klar zu unterscheiden.
Schritt 4 Vergleichstabellen für C3-, C4- und CAM-Pflanzen erstellen
- Sie können mit den Tabellenwerkzeugen von Edraw eine Vergleichstabelle erstellen, um C3-, C4- und CAM-Pflanzen gegenüberzustellen.
- Verwenden Sie ein Textfeld für CCM (CO₂-Konzentrationsmechanismus), den C4- und CAM-Pflanzen nutzen, um CO₂ in einer Vier-Kohlenstoff-Verbindung zu binden.
- Platzieren Sie ein Textfeld für das Carboxysom, das dazu beitragen kann, Photorespiration zu minimieren.
Schritt 5 Biochemische Details ergänzen
- Nutzen Sie Textfelder und Formen in EdrawMax, um biochemische Details zu ergänzen.
- Fügen Sie Textfelder für die folgenden Punkte hinzu und beschriften Sie sie:
- HCO₃⁻ (Hydrogencarbonat)
- CO₂-Pumpen
- Carboxysom: stammt aus Cyanobakterien und konzentriert CO₂
- Pyrenoid-CCM: kommt in Chloroplasten von Algen vor
- Umweltfaktoren wie CO₂, H₂O, Licht, Temperatur und Wind
- Ziele der Pflanzenzüchtung/Bioengineering für C3-Kulturen
Sobald Ihr Diagramm fertig ist, können Sie es exportieren. Hier finden Sie verschiedene Optionen, um es passend zu Ihrem Bedarf herunterzuladen. Sie können Ihr Diagramm zum Beispiel auch als GIF exportieren – wie in diesem Beispiel:
Ob Sie Schülerin oder Schüler, Lehrkraft oder Biologieinteressierte sind: Mit EdrawMax können Sie Biologie-Diagramme kostenlos erstellen und exportieren, um sie mit Ihrem Kurs, Kollegium oder in Ihrem Netzwerk zu teilen.
Weitere kostenlose Vorlagen für Biologie-Diagramme
Es kann Stunden dauern, komplexe biologische Strukturen von Grund auf zu zeichnen. Deshalb kann eine gute Diagrammvorlage viel Zeit sparen – aber eine wirklich gute zu finden ist nicht immer einfach! Ob Sie ein detailliertes Diagramm des Mitoseprozesses, ein Diagramm zum Ablauf einer Virusinfektion oder ein übersichtliches Zellstrukturschema benötigen, die EdrawMax Vorlage-Community bietet Ihnen passende Vorlagen.
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Fazit
Photorespiration ist nicht nur ein biologischer Prozess, sondern auch ein limitierender Faktor für die globale Nahrungsmittelproduktion, weil sie mit dem Calvin-Zyklus konkurriert, der in Pflanzen Zucker aufbaut. Eine visuelle Darstellung mit digitalen Tools wie EdrawMax kann die Abläufe deutlich verständlicher machen. Wenn Sie die wichtigsten Schritte und Ereignisse hervorheben, gewinnen Lernende einen klareren Überblick über diesen Prozess.
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