Schwermetalle und Pflanzen - eine komplizierte Beziehung (I)

Transkript

1 Schwermetalle und Pflanzen - eine komplizierte Beziehung (I) Sh Schwermetall-Hyperakkumulation l im Wilden Westen modified from: Vorlesung von Hendrik Küpper im Kompaktkurs Pflanzenphysiologie 2010

2 Schwermetall-Mangel als globales Problem der Landwirtschaft grün = moderater Zinkmangel; rot = starker Zinkmangel Aus: Alloway BJ Zinc the vital micronutrient for healthy, high-value crops. Brussels, Belgium: International Zinc Association.

3 Die Dosis macht das Gift - auch bei Schwermetallen!

4 Metalle in photosynthetischen Proteinen Mg 2+ Fe 3+/2+ FNR 4 h ν Antenna Chl-protein complexes, main protein: LHCII Chl Chl excitation Chl energy transfer P680* Phe Fe cyt b 559, cyt c 550 Q A Q B PQ electron transport Cyt b6/f complex P680 Ca 2+ +/2+ WSC 4 e - Cu Mn 3+/4+ 2 H 2 O O H + PC P700* A 0, A 1 F x F A, F B Fd 4 h ν Chl Chl Chl EET P700

5 Mechanismen der Metal-Aufnahme in Pflanzen: Aufnahme in die Wurzel und intrazelluläre Verteilung Beispiel: Eisen- un Zink-Aufnahem in Brassicaceae root uptake intracellular distribution From: Colangelo EP, Guerinot ML, 2006, CurrOpinPlantBiol9: Hauptfamilien von Schwermetall-Transportproteinen: P 1B -typ ATPasen (im Menschen z.b. Menkes- und Wilson-Protein!) Cation diffusion facilitators (CDF-transporter) ZRT-/IRT-like proteins (ZIP-Transporter) Natural resistance associated Macrophage proteins (Nramp-Transporter)

6 Mechanismen der Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (I) CPx-typ (=P 1B -typ) ATPasen Aufgrund von Expressionsstudien vermutete Funktionen Translokation in das Wurzelxylem, d.h. aus den Zellen heraus ( z.b. HMA4) Xylementladung im Sproß Intrazelluläre Metal-Sequestrierung z.b. in der Vakuole (vermutet!) Transport in die Chloroplasten, in den Chloroplasten in die Thylakoide Transport in den Golgi-Apparat From: Williams LE, Mills RF, 2005, TrendsPlantSci10, From: Argüello JM et al., 2007, Biometals, DOI /s

7 Mechanismen der Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (I) CPx-typ (=P 1B -typ) ATPasen From: Williams LE, Mills RF, 2005, TrendsPlantSci 10, Sequenz-Charakteristika Vorhergesagte Struktur (Nur A, P, und N-Domäne kristallisiert von bakteriellen Proteinen) CPx-Motiv in der 6ten vorhergesagten Transmembranhelix ( Name!) Variable Anzahl von Transmembranhelices EXTREM VIELE Histidine und Cysteine in der Sequenz ( z.b. 58 Cys in TcHMA4) Vermutliche Metallbindestelle am N-Terminus (im Cytoplasma?) Histidin-Wiederholung at C-terminus (im Cytoplasma?)

8 Mechanismen der Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (II) ZIP-Transporter Wahrscheinliche Funktionen (angedeutet durch Expressionsstudien) Aufnahme von Metallen in Zellen über die Cytoplasmamembran Kommen in allen Eukaryoten vor From:Guerinot ML, 2000, BBA 1465, Struktur vorhergesagt aus der Sequenz meist 8 Transmembranhelices, eine lange variable Region, der Vorhersage zufolge im Cytoplasma Aminosäuren From:Pence NS et al., 2000, PNAS 97, Aus Hefe-Expressionsstudien ermittelte Charakteristika Hohe Affinität und sättigbare Kinetik für selektiertes Metall (z.b. Zn in ZNT1) Weniger hohe Affinität für verwandte andere Metalle (z.b. Cd in ZNT1)

9 Mechanismen d. Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (III) Natural a resistance sta associated ated macrophage age proteins (Nramps) Vermutliche Funktionen (aus Expressionsstudien geschlossen) Wurden entdeckt in der Immunantwort von Tieren ( Name!) Vorhanden in allen Eukaryoten, incl. des Menschen, Pflanzen und Pilzen Spielen vermutlich eine Rolle bei der Metallaufnahme in die Zellen und auch bei der Metallverteilung innerhalb der Zellen. From: Nevo Y, Nelson N, 2006, BBA 1763,

10 Mechanismen d. Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (III) Natural a resistance sta associated ated macrophage age proteins (Nramps) Vermutlicher Mechanismus Protonen-Symport mit dem elektrochemischen Gradienten treibt die Metall-Translokation gegen den Gradienten umstritten, andere Studien schlagen Protonen- Metall Antiport vor... Metallbindung induziert die Protonenbindung From: Nevo Y, Nelson N, 2006, BBA 1763,

11 Mechanismen d. Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (IV) cation diffusion facilitator (CDF)-Transporter From: Kobae et al., 2004, PlantCellPhysiol 45, From: Blaudez D et al., 2003, PlantCell 15, Funktionen geschlossen aus Expressionsstudien (Lokalisation Funktionen geschlossen aus Expressionsstudien (Lokalisation und Überexpressions/Knockout-Phänotypen) Metall-Entgiftung Einlagerung der Metalle in intrazelleluläre Kompartimente (v.a. Vakuole)

12 Mechanismen d. Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (IV) cation diffusion facilitator (CDF)-Transporter From: Kobae et al., 2004, PlantCellPhysiol 45, Sequenz-Charakteristika vorhergesagte Struktur VIELE Histidine 6 Transmembranhelices Vermutliche Metallbindedomäne am N-Terminus (im Cytoplasma?) Wahrscheinliche Metallbindende Histidin-Wiederholung im Loop (im Cytoplasma?)

13 Cadmium Cadmium als Pflanzen-Nährstoff in Thalassiosira weissflogii. A, B: Wachstum der Algen. (Lane and Morel, 2000, PNAS97)

14 Carboanhydrase von Thalassioria weissflogii: Ein Enzym mit Cadmium im aktiven Zentrum Größe der Cadmium-Carboanhydrase im EXAFS-Spektrum der isolierten Cadmium- Vergleich zur normalen Zn-Carboanhydrase Carboanhydrase (Lane et al., 2005, Nature Vol. (Lane and Morel, 2000, PNAS Vol. 97) 435)

15 Eigenschaften und Struktur der Cd-Carboanhydrase (Xu et al., 2008, Nature 452, pp 56-61) Cd-CA kann sowohl Cd als auch Zn binden. Aktivität mit Zn etwas höher, aber Aktivität mit Cd viel höher als bei gewöhnlichen Zn-Carboanhydrasen. Cd-CA hat 7 α-helices und 9 β-faltblätter, Cd am unteren Ende einer trichterförmigen Substrat-Bindetasche Cd 2+ is über drei konservierte Aminosäurereste gebunden: 2x Cystein und 1x Histidin Cd 2+ is über drei konservierte Aminosäurereste gebunden: 2x Cystein und 1x Histidin, dazu 1x Wasser gebunden ( tetraedrische Koordination). Weitere fixierte Wassermoleküle in der Nähe

16 Cadmium-Mangel im Cd/Zn-hyperaccumulator Thlaspi caerulescens Mit 10 µm Cadmium in der Nährlösung Ohne Cadmium in der Nährlösung --> gesunde Pflanzen --> Schaden durch Insektenbefall Küpper H, Kroneck PMH (2004) MIBS 44 (Sigel et al., eds), chapter 5

17 Eisen Eisen an der Ozeanoberfläche (oben) und in 1000m Tiefe (unten) Von: www-paoc.mit.edu

18 Mechanismen der Eisenaufnahme in Pflanzen: Strategien der Eiseneffizienz Nicotianamin

19 Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Eisen im aktiven Zentrum Katalase SOD Cytochrom c Cyt b6f

20 Biochemie von Eisen in Eisenzymen Häm Wichtige Typen von Eisen- Schwefel- Clustern Von: dasher.wustl.edu edu Von:

21 Eisen-Schwefel-Cluster im PSIRZ Funktion des PSIRZ: Pi Primäre Ladungstrennung: special pair (=P700, Chl a / Chl a heterodimer), entässt e - zu A 0 via A (beide Chl a) e - Transport via A1 (phylloquinon) und die [4Fe4S]- Cluster F x, F A und F B zum [4Fe4S]-Cluster des Ferredoxins P700 wird Re-reduziert durch Plastocyanin -580 mv -520 mv -705 mv -800 mv mv +430 mv From: Nelson N, Yocum CF, 2006, AnnRevPlantBiol 57,

22 Symptome und Wirkungsmechanismen von Eisenmangel Von: Cannabis World.

23 Kupfer Allgemeines zu Kupfer Kupfer als essentieller Pflanzen-Nährstoff

24 Metallothioneins: storage and transport proteins From: Prohaska JR, Gybina AA, 2004, JNutrition134, MTs of type I und II bind Cu + with high affinity and seem to be involved in its detoxification. BUT: Main role of MTs in plants seems to be Metal-distribution t ib ti during the normal (nonstressed) metabolism, while in animals they are more involved in detoxification and also (mainly?) bind Zn 2+

25 Intrazellulärer Kupfertransport From: OHalloran TV, Culotta VC, 2000, JBC275, Charakterisierung Cu wird intrazellulär unter normalen (nicht-toxischen) toxischen) Bedingungen so effizient von Chaperonen übernommen und in die Zielproteine geleitet, dass es fast kein freies (=nicht an spezifische Liganden sondern nur Wasser gebundenes) Kupfer in der Zelle gibt.

26 Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Kupfer im aktiven Zentrum Plastocyanin Multi-Kupfer-Oxidasen, z.b. Laccasen

27 Symptome und Wirkungsmechanismen von Kupfermangel

28 Nickel Allgemeines zu Nickel Nickel als essentieller Pflanzen-Nährstoff

29 Urease: Ein Enzym mit Nickel im aktiven Zentrum

30 Nickelmangel in Ni-Hyperakkumulatoren ight (g) Sh hoot dry we (a) 14 Thlaspi goesingense Alyssum bertolonii Alyssum lesbiacum Ni concentratio on (µg g -1 ) (b) Thlaspi goesingense Alyssum bertolonii Alyssum lesbiacum Ni added to the substrate (mg kg -1 ) Ni added to the substrate (mg kg -1 ) Alyssum lesbiacum Küpper H, Lombi E, Zhao FJ, Wieshammer G, McGrath SP (2001) J Exp Bot 52 (365),

31 Zink Allgemeines zu Zink Zink als essentieller Pflanzen-Nährstoff

32 Zinkeffizienz Aus: Hacisalihoglu G, Kochian, LV.How do some plants tolerate low levels of soil zinc? Mechanisms of zinc efficiency i in crop plants. New Phytologist 159 (2),

33 Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Zink im aktiven Zentrum Carboanhydrase Zinkfinger-Motiv Tyrosin-Phosphatase

34 Alle Folien meiner Vorlesungen im Internet unter /FuF/Bio/kuepper/Homepage /AG_Kuepper_education.html (auch zu finden über Homepage der Biologie Arbeitsgruppen Küpper) weiterführende Literatur als pdf auf Anfrage