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A2: Struktur und Funktion CO₂-konzentrierende und -fixierender Mechanismen im Chloroplasten 

Jan Schuller, PHD NAME

Fragestellung

Wie funktioniert der Kohlenstoffkonzentrierungsmechanismus im Pyrenoid? Wie wird eine Lokalisierung von Rubisco in unmittelbarer Nähe des Kanals und der Carboanhydrase gewährleistet?

Hintergrund

Die Bioverfügbarkeit von gelöstem CO₂ stellt für photosynthetische Algen wie C. reinha­­rdtii einen wachstumslimitierenden Faktor dar, bedingt durch niedrige Diffusionsraten im wässrigen Milieu. Algen wirken diesem Problem durch den Kohlenstoffkonzentrierungsmechanismus (CCM) entgegen, der durch Flüssig-Flüssig-Phasentrennung (dem Pyrenoid, einer hoch konzentrierten Anordnung von Rubisco) und aktive Aufnahmesysteme realisiert wird. Der CCM erhöht die lokale CO₂-Konzentration proximal zum Rubisco Enzym. Diese Anpassung ist von großer Bedeutung, da Rubisco neben seiner langsamen Katalyserate der CO₂ Fixierung auch eine Oxygenierung mittels O₂ durchführt, was zur Photorespiration und somit Beeinträchtigung der Photosynthese-Leistung führt. Die lokale CO₂ Erhöhung verschiebt das Reaktionsgleichgewicht zugunsten der CO₂-Fixierung und verringert die Photorespiration zugunsten der Photosynthese-Effizienz. Externes CO₂ wird als lösliches HCO₃⁻ in die Chloroplasten transportiert und über einen ungenau verstandenen Diffussions-Prozess in die Nähe von Rubisco transportiert. Dort konvertiert die Carboanhydrase CAH3 HCO₃^- zu CO₂ und reichert CO₂ unmittelbar am aktiven Zentrum von Rubisco an.

Die Funktion der involvierten Proteine sowie das Zusammenspiel mit anderen Komponenten des Pyrenoid ist noch völlig unklar. Das Wissen darüber ist aber essenziell für ein generelles Verständnis und einem Design neuer, optimierter CO₂ Fixierungsprozesse.