Herzlich willkommen zur Vorlesung. Pflanzenphysiologie

Transkript

1 Herzlich willkommen zur Vorlesung Pflanzenphysiologie 1

2 Block 3: Stoffwechselphysiologie Photosynthese-Vertiefung: Regulation, Anpassung Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels Lipidstoffwechsel Funktionen von Sekundärstoffen Weitere Biosynthesen 2

3 Photosynthese Nettoreaktion: Die Energie von Lichtquanten wird genutzt, um eine Ladungstrennung im Reaktionszentrum zu erreichen. Dies initiiert eine Kette von Redoxreaktionen und ermöglicht die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie. 3 Raven, Biologie der Pflanzen

4 Das Z-Schema 4

5 Die Photosynthese-Komplexe 5

6 Regulation der Photosynthese Vermeidung von Schäden Anpassung an die Lichtversorgung 6

7 Lichtreaktionen Calvin-Zyklus Taschenlehrbuch Botanik (6.26) Nur ein Teil der eingestrahlten Energie kann photochemisch genutzt werden. Fundamental ist das Problem überschüssiger Reduktionsäquivalente. Häufig kann die durch die Lichtreaktionen bereitgestellte chemische Energie nicht sinnvoll abfließen. Dies gilt z.b. bei: - Zu starker Lichteinstrahlung - Zu geringer Wasserversorgung; CO 2 -Mangel tritt auf - Zu niedrigen Temperaturen; der Calvin-Zyklus ist stärker verlangsamt als die Lichtreaktionen 7

8 Schutz des Photosyntheseapparates Photosynthese-Systeme haben die Aufgabe, Lichtenergie möglichst effektiv einzufangen. Dies birgt Gefahren und erfordert eine sehr genaue Regulation. Zum Beispiel kann die Anregungsenergie von Chlorophyll auf Sauerstoff übertragen werden, was zur Generierung reaktiver Sauerstoffspezies führt: Singulett-Sauerstoff, Superoxid, Wasserstoffperoxid, Hydroxylradikal. Mehler-Reaktion: Reduktion von O 2 durch Ferredoxin Taiz/Zeiger, Plant Physiology (In ähnlicher Weise ist eine Gefahr der Atmung die unvollständige Reduktion von O 8 2 )

9 Schutz des Photosyntheseapparates Quenching der Anregungsenergie, Abgabe von Wärme: Carotinoide übernehmen die Anregungsenergie, sind selbst jedoch nicht energiereich genug, um Singulett-O 2 zu erzeugen. Zurückfallen in den Grundzustand unter Abgabe von Wärme. Dies ist eine zweite essentielle Funktion von Carotinoiden neben der Funktion, als akzessorische Pigmente Lichtenergie einzufangen. 9

10 Schutz des Photosyntheseapparates Nicht-photochemisches Quenching der Anregungsenergie: Xanthophylle 10

11 Der Xanthophyll-Zyklus Starke Ansäuerung des Thylakoid- Lumens aktiviert den Xanthophyll- Zyklus: Violaxanthin-De-Epoxidase wird aktiv. (Warum macht Ansäuerung des Lumens Sinn als aktivierende Bedingung?) Zeaxanthin wird gebildet. Dieses kann Anregungsenergie von Chlorophyll übernehmen und als Wärme dissipieren. Wenn der ph-wert des Lumens über einen bestimmten Wert steigt, wird Zeaxanthin-Epoxidase aktiviert und Violaxanthin wird gebildet. 11

12 Relevanz des Xanthophyll-Zyklus für Akklimatisation und Adaptation Verhältnisse und Gesamtmengen der Xanthophylle sind unterschiedlich je nach Licht-Versorgung. Bei stärkerer Belichtung ist der Zeaxanthin-Anteil höher. Der Zeaxanthin-Anteil ist auch höher, wenn niedrige Temperaturen oder schlechte N-Versorgung die Verwertung photosynthetischer Energie beeinträchtigen. Larcher, Physiological Plant Ecology 12

13 Schutz des Photosyntheseapparates Schutzenzyme wie Superoxiddismutase und Ascorbatperoxidase. 13

14 Enzymatischer Schutz vor reaktiven Sauerstoffspezies Superoxiddismutase: - setzt Superoxid zu H 2 O 2 und O 2 um Katalase: - entgiftet H 2 O 2, Produkte sind Wasser und Sauerstoff Ascorbat-Peroxidase: - kann ebenfalls H 2 O 2 entgiften Glutathion dient hier als Elektronendonator zur Regeneration von Ascorbat. Buchanan, Gruissem & Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants 14

15 Tabakpflanzen wurden zunächst in schwachem Licht angezogen (80 µmol/m 2 /s) und dann für 4 Tage starkem Licht ausgesetzt (1000 µmol/m 2 /s) Cat1 AS: eine Linie mit reduzierter Katalase-Aktivität (Transformation mit einem Antisense-Konstrukt) Bei sehr guter CO 2 -Versorgung treten die Schäden nicht auf. Warum? 15 Willekens et al., EMBO Journal (1997)

16 Schutz des Photosyntheseapparates Photoinhibition, Reparatur des D1- Proteins. 16

17 Photoinhibition Bei zu hohem Lichtangebot nimmt die Photosyntheseleistung ab, da es zur Schädigung der Photosysteme kommt. Buchanan, Gruissem & Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants 17

18 Photoinhibition Das D1-Protein im PS II dient als Knautschzone. Die meisten Schäden treten an diesem Protein auf, welches deshalb einem hohen Turnover unterliegt. Buchanan, Gruissem & Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants 18

19 Regulation der Photosynthese Vermeidung von Schäden Anpassung an die Lichtversorgung 19

20 Verteilung der Lichtenergie zwischen den Photosystemen Optimal ist, wenn beide Photosysteme gleich gut angeregt sind. Die spektrale Qualität von Licht kann jedoch sehr rasch wechseln. Taiz/Zeiger, Plant Physiology 20

21 Verteilung der Lichtenergie zwischen den Photosystemen Lichtintensitäten können sehr stark schwanken Schattenblättern unterscheiden sich von Sonnenblättern: - größere Antennen, d.h. höheres Pigment/Reaktionszentrum-Verhältnis - mehr Chl. B, um die Grünlücke besser zu verkleinern - höherer PS II-Anteil: damit wird der durch den höheren Dunkelrot-Anteil im Schatten möglichen Überanregung von PS I entgegengewirkt Strasburger, Lehrbuch der Botanik 21

22 Verteilung der Lichtenergie zwischen den Photosystemen Optimal ist, wenn beide Photosysteme gleich gut angeregt sind. Die spektrale Qualität von Licht kann jedoch sehr rasch wechseln. Strasburger, Lehrbuch der Botanik (5-52) Die kurzfristige Verteilung der Lichtenergie beruht auf der Beweglichkeit von Antennenkomplexen. LHCII kann reversibel aus dem Grana-Bereich herausdiffundieren und dann PS I versorgen. 22

23 Phosphorylierung von LHCII führt dazu, dass mehr Energie auf PSI übertragen wird. LHCII diffundiert aus dem Grana-Bereich heraus in den Stroma-Thylakoid-Bereich (State Transition). Aktivierung der verantwortlichen Kinase wenn reduziertes Plastoquinon akkumuliert. Oxidation von Plastoquinon aktiviert eine Phosphatase. Strasburger, Lehrbuch der Botanik (5-53) 23 Buchanan, Gruissem & Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants

24 Auch die Biosynthese von Chlorophyll (in den Plastiden) ist sehr genau reguliert. Vorstufen dürfen nicht akkumulieren: Unkontrollierte Anregung würde auch hier zur Elektronenübertragung auf O 2 und damit zur Entstehung schädlicher reaktiver Sauerstoffspezies führen. Bis zum Protoporphyrin IX ist die Synthese identisch mit der von Häm. Hier kommt es dann darauf an, ob ein Mg- oder ein Fe- Atom inseriert wird. Einer der letzten Schritte, die Bildung von Chlorophyllid, ist lichtaktiviert. In etiolierten Keimlingen akkumuliert Protochlorophyllid. Bei Belichtung kann so sehr rasch Chlorophyll gebildet werden, der Keimling ergrünt. 24 Taiz/Zeiger, Plant Physiology

25 Retrogrades Signaling Signalübertragung von den Plastiden in den Kern: Informationen aus den Plastiden regulieren Genexpression im Kern. Taschenlehrbuch Botanik (6.36) 25

26 Der Calvin-Zyklus Unterschieden werden: Carboxylierende Phase (1 Enzym) Reduzierende Phase (2 Enzyme) Regenerierende Phase (10 Enzyme) 26

27 Regulation des Calvin-Zyklus durch Licht Die sogenannten Dunkelreaktionen laufen nur im Licht ab. Mind. 5 Proteine werden durch Licht reguliert: Rubisco NADP-Glycerinaldehyd-3-phosphat Dehydrogenase Fructose-1,6-bisphosphat-Phosphatase, Sedoheptulose-1,7-bisphosphat- Phosphatase, Ribulose-5-Phosphat- Kinase Diese katalysieren vor allem die exergonischen irreversiblen Reaktionen. 27

28 Was sind geeignete Indikatoren für laufende Lichtreaktionen? Die Energieladung (das Verhältnis ATP:ADP) steigt Reduktionsäquivalente stehen zur Verfügung: Ferredoxin und NADPH Der ph-wert des Thylakoid-Lumens sinkt Die Mg 2+ -Konzentration im Stroma steigt 28

29 Regulation der Rubisco geschieht auf mehreren Wegen 1. Carbamoylierung: Bindung von CO 2 und Mg 2+ Buchanan, Gruissem, Jones, Molecular Biology & Biochemistry of Plants Außerdem wird die mit der Carbamoylierung verbundene Protonenfreisetzung bei erhöhtem ph erleichtert. 29

30 Regulation der Rubisco geschieht auf mehreren Wegen 2. Rubisco-Aktivase Rubisco wird durch die Bindung von Zuckerphosphaten inhibiert Der Hemmstoff 2-Carboxy-D-arabinit- 1-phosphat bindet in vielen Pflanzen nachts an die Rubisco. 30

31 Regulation der Rubisco geschieht auf mehreren Wegen 2. Rubisco-Aktivase entfernt inhibierende Zuckerphosphate unter ATP-Verbrauch und ermöglicht Carbamoylierung Buchanan, Gruissem, Jones, Molecular Biology & Biochemistry of Plants 31

32 Die anderen 4 Enzyme werden durch das Ferredoxin-Thioredoxin-System reguliert 32

33 In rot dargestellt sind die irreversiblen Reaktionen: Regulation über ph, Mg 2+ - Konzentration, Ferredoxin- Reduktion und Produkthemmung. 33

34 Oxidativer Pentosephosphatweg Der oxidative Pentosephosphat- Weg produziert in erster Linie NADPH, CO 2 und ein Hexosephosphat (Fructose-6-P). NADPH wird für Biosynthesen bereitgestellt. Die meisten der Reaktionen sind die gleichen wie im Calvin-Zyklus. 34

35 Oxidativer Pentosephosphatweg Ohne genaue Regulation würde ein ATP-verbrauchender futile cycle entstehen. Heldt & Piechulla, Pflanzenbiochemie 35

36 Oxidativer Pentosephosphatweg Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase katalysiert den ersten Schritt, der stark exergonisch und damit irreversibel ist. Dieses Enzym ist nur im Dunkeln aktiv, während einige der Schlüsselenzyme des Calvin-Zyklus wie gesehen nur im Licht aktiv sind. Auch hier erfolgt die Regulation über das Ferredoxin- Thioredoxin-System. 36 (Taschenlehrbuch Botanik)

37 C4-Photosynthese Die Aufgaben zwischen Mesophyll- und Bündelscheidenzellen sind verteilt. In den Mesophyllzellen wird CO 2 über die PEP- Carboxylase fixiert. Calvin-Zyklus läuft nicht ab. C4-Produkte werden in den Bündelscheidenzellen decarboxyliert, CO 2 wird im Calvin-Zyklus fixiert. Phosphoenolpyruvat wird in den Mesophyllzellen regeneriert. Die CO 2 -Konzentration im Stroma der Bündelscheiden- Chloroplasten beträgt ca. 70 µm. Gleichzeitig enthalten die Zellen kaum Photosystem II, es wird also wenig O 2 durch Photolyse von H 2 O frei. Damit wird die Oxygenase-Nebenreaktion der RubisCO effektiv unterdrückt. Malat ist die Transportform für CO 2 und Reduktionsequivalente. 37

38 Auch die C4-Photosynthese wird reguliert 1. Über das Thioredoxin-System z.b. NADP + -Malatdehydrogenase 38

39 Regulation der C4-Photosynthese 1. Über das Thioredoxin-System 2. Über Phosphorylierung/Dephosphorylierung PEP-Carboxylase 39

40 3. Crassulacean Acid Metabolism (CAM) Zeitliche Trennung von CO 2 -Fixierung und Calvin-Zyklus CAM ist normalerweise assoziiert mit bestimmten anatomischen Anpassungen, die Wasserverlust minimieren sollen: - niedriges Oberfläche/Volumen-Verhältnis (Sukkulenz) - dicke Cuticula - wenig cuticuläre Transpiration Saguaro-Kaktus 40

41 Regulation des CAM Die Refixierung von CO 2 durch PEP- Carboxylase am Tage muss unterdrückt werden. Strasburger, Lehrbuch der Botanik (5-79) Auch hier wird die PEP-Carboxylase über Phosphorylierung reguliert. In der phosphorylierten Form wird das Enzym weniger leicht durch Malat inhibiert. Die verantwortliche PEP- Carboxylase-Kinase ist als Protein sehr instabil, d.h. vor allem die Transkription entscheidet über die Aktivität. Transkription des PEP-Carboxylase- Kinase-Gens in CAM-Pflanzen unterliegt einer ausgeprägten circadianen Rhythmik. Sie erfolgt vor allem in der Nacht. Die PEP-Carboxylase liegt also bei CAM-Pflanzen in einer schwach aktiven Tag-Form und einer 41 aktiven Nacht-Form vor.

42 CAM-Induktion unter Salzstress Einige Pflanzen antworten auf den durch Salzbelastung verursachten Trockenstress mit CAM-Induktion, um die Wasserverluste durch Transpiration zu minimieren. Die CAM-Induktion erfolgt u.a. transkriptionell: die Menge an PEP-Carboxylase wird erhöht. Mesembryanthemum crystallinum 42