Was ist Pflanzenbiosynthese?

Pflanzenbiosynthese ist die Sammlung natürlicher Prozesse, die Pflanzen durchlaufen, um anorganische Mineralelemente wie Kalium und Stickstoff im Boden sowie Elemente in Wasser und Luft in Nährstoffe umzuwandeln, wobei Energie verwendet wird, die ursprünglich aus dem Sonnenlicht gewonnen wird. Diese Prozesse lassen sich für Pflanzen in drei grundlegende Kategorien einteilen, darunter Photosynthese, Atmung und chemische Synthese. Wie Tiere und andere Lebewesen wie Bakterien sind Pflanzen zum Überleben auf den Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid in der Atmosphäre angewiesen. Sie synthetisieren und spalten auch viele der gleichen Verbindungen der pflanzlichen Biosynthese wie Tiere, darunter Aminosäuren, Lipide und Kohlenhydrate.

Das Verständnis der Schlüsselprozesse der Photosynthese und Zellatmung in Pflanzen ist der erste Schritt zum Verständnis der Biosynthese in Pflanzen im Allgemeinen. Bei der Photosynthese handelt es sich um einen Prozess, der dem sichtbaren Licht bestimmter Wellenlängen Energie entzieht und diese mithilfe von Chloroplasten in Zuckermolekülen in Pflanzen speichert. Chloroplasten sind kleine Organellen in Pflanzenzellen, die Chlorophyll enthalten, eine grüne Verbindung, die Pflanzen ihre Farbe verleiht und zur Synthese von Kohlenhydraten wie Zucker verwendet wird.

Die Pflanzenbiosynthese nutzt drei verschiedene Arten von Pigmenten, um ihre Lichtabsorption zu maximieren. Das Pigment Chlorophyll a absorbiert Licht am stärksten um die Wellenlänge von 430 Nanometern herum, was größtenteils blau ist, und Chlorophyll b absorbiert Licht um eine Wellenlänge von 470 Nanometern, was wirklich grün ist. Ein weiteres von einigen Pflanzen produziertes Pigment ist das Carotinoid, das Licht im gelben bis orangefarbenen Bereich des sichtbaren Spektrums bei Wellenlängen von 500 Nanometern oder mehr absorbiert.

Die Pflanzenatmung ist auch ein Schlüsselmerkmal der Funktion von Pflanzen, Kohlendioxid zu absorbieren und Sauerstoff als Abgas zu entfernen. Sie atmen diese Gase jedoch nicht ein und aus, wie es bei Tieren der Fall ist. Der Atmungsprozess in der Pflanzenbiosynthese beinhaltet, dass Pflanzen Luft in ihre äußere Zellstruktur diffundieren lassen, wo diese kombinierten Gase durch Wasser zu den inneren Zellmembranen transportiert werden. Energie für die Atmung stammt aus gespeicherter Glukose, die bei der Photosynthese entsteht. Pflanzen spalten wie Tiere Glukose zur Energiegewinnung auf und sind mit einem Nettoenergiegewinn von 22 % bis 38 % recht effizient. Dies ist vielen Formen moderner menschlicher Technologie überlegen, beispielsweise dem Automobil, dessen Effizienz bei der Umwandlung von Benzin in Bewegungsenergie weniger als 25 % beträgt.

Der Energieerzeugungsprozess in der pflanzlichen Biosynthese basiert auf derselben chemischen Reaktion, die alle Tiere zur Energiegewinnung nutzen. Pflanzen nutzen Adenosintriphosphat (ATP)-Moleküle zur Speicherung und Freisetzung von Energie, da ATP in den Mitochondrien der Pflanzenzellen chemisch akkumuliert und abgebaut wird. Der Unterschied zwischen Pflanzen und Tieren in diesem Prozess besteht darin, dass die Abfallprodukte der Energieproduktion für Pflanzen auch Glukose, Sauerstoff und Wasser sind, allesamt lebenswichtige Verbindungen, auf die Tiere zum Überleben angewiesen sind.

Der Stoffwechsel anderer Chemikalien in Pflanzen kann äußerst komplex sein, und die Wissenschaft ist aufgrund der zahlreichen Arten nützlicher organischer Verbindungen, die Pflanzen produzieren, stark an der Untersuchung der Biosynthesewege in Pflanzen beteiligt. Seit 2011 ist bekannt, dass Pflanzenenzyme über 200.000 verschiedene Arten von Chemikalien synthetisieren, von denen viele für die Verwendung in Lebensmitteln und Medikamenten geerntet werden können. Allerdings können die meisten kommerziell nutzbaren Verbindungen, die durch Pflanzenbiosynthese hergestellt werden, noch nicht auf künstlichem Wege in Laborumgebungen hergestellt werden, sodass die Pflanzen selbst gezüchtet werden müssen, um die Chemikalien zu ernten. Die Forschung zur Pflanzenbiosynthese konzentriert sich seit 2011 auf die tatsächliche Methode, die eine Pflanze zur Herstellung einer Verbindung verwendet. Sobald dies vollständig verstanden ist, können Zellkulturen aus der Pflanze in großen Mengen gezüchtet werden, um die Chemikalie kommerziell herzustellen.

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