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scientia halensis 4/2002 .................................................................................... Fachbereich Biologie ................................................................................ plex und enden schließlich nach vielen weiteren Stationen in einem Zuckermolekül. 30 Dem Chlorophyll fehlt jetzt aber ein Elektron, und es ist außergewöhnlich begierig, die Lücke zu füllen. Da gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder gelangt das vom Licht herausgeschlagene Elektron nicht weit und »fällt« auf seinen ursprünglichen Platz zurück. Die dabei freiwerdende Energie wird als Fluoreszenzlicht und etwas Wärme abgestrahlt – ein unproduktiver Weg. Oder aber das Chlorophyll holt sich Elektronen vom Wasser. In diesen produktiven Fall sind Manganatome im PSII-Komplex und ein spezieller Tyrosinrest im D1 Protein beteiligt, um dem Wassermolekül sequenziell Elektronen zu entreißen und dabei Protonen und den für uns so wichtigen Sauerstoff freizusetzen. Dieser »Wasserspaltungsapparat« ist noch nicht in allen Einzelheiten verstanden und stellt ein spannendes Forschungsgebiet dar. Photosystem II als Biosensor In Industrie und Landwirtschaft wird eine große Zahl von Substanzen eingesetzt, die selektiv in biologische Reaktionen eingreifen. Einige dieser Wirkstoffe sind Unkrautvernichtungsmittel (Herbizide), die die Funktion von PSII und damit den Photosyntheseprozess blockieren. Sie können aber auch langfristig Böden und Trinkwasser kontaminieren. Pflanzliche Testorganismen wie Algen sind als natürliche Biosensoren in der Lage, solche Stoffe auf der Basis photosynthetischer Aktivität (Fluoreszenz, Sauerstoffentwicklung) zu detektieren. Die zur Zeit bekannten Nachweissysteme haben den Nachteil, dass sie wenig empfindlich und unspezifisch sind. Diese Eigenschaften des Biosensorsystems können adaptiert werden, indem die D1-Untereinheit von PS II (Abb. 3) mit ihrer sogenannten Herbizid-Bindenische durch Mutagenese verändert wird. Es ist bekannt, dass der Austausch einzelner Aminosäuren im Bindeprotein zu einer Resistenz und/oder zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Stoffklassen führen kann. Diese Kenntnisse wollen wir in einem von der EU geförderten Projekt nutzen, indem gezielt ein bestimmter Bereich des Proteins modifiziert wird. Grundlage für solche Veränderungen ist eine von uns konstruierte Mutante der Grünalge Chlamydomonas, mit deren Hilfe wir schnell und effizient solche Domänen des Proteins verändern können, die für die Hemmstoffbindung verantwortlich sind. Ein darüber hinaus gehender Ansatz birgt die Möglichkeit, das Protein durch Insertion von Metallbindedomänen mit neuen Eigenschaften auszustatten, die einen Nachweis auch z. B. von Schwermetallen erlauben. Plastidäre Proteasen und ihre Substrate Chloroplasten besitzen ein proteolytisches System zur Kontrolle der Stabilität ihrer Proteine und zur Entfernung defekter Proteine. Aus biotechnologischer Sicht ist ein genaues Verständnis der Erkennung und Abbaumechanismen dann von besonderer Bedeutung, wenn Fremdproteine in Plastiden exprimiert werden sollen. Es gibt zahlreiche Beispiele für die Degradation von plastidären Proteinen, ohne dass eine eindeutige Zuordnung von individuellen Proteasen möglich wäre. Prominentestes Beispiel ist der schnelle Abbau der D1-Untereinheit von Photosystem II: das Protein wird durch Licht geschädigt, proteolytisch abgebaut und durch Neusynthese ersetzt. Photooxidative Bedingungen im Chloroplasten führen auch zum Abbau anderer Proteine, und durch spezifische Mutagenese erzeugte, verstümmelte Proteine werden im Chloroplasten offensichtlich als defekt erkannt und rasch entfernt. Obwohl eine Reihe von Proteasen jetzt bekannt sind, verstehen wir nicht, wie diese Enzyme intakte von defekten Proteinen unterscheiden können. Algenchloroplasten: Fundstätte neuer, unerwarteter Prozesse Die Chloroplasten bestimmter Algen erweisen sich nach Sequenzierung ihrer Genome als Fundstätte interessanter Gene, die auf neue und für Pflanzen unerwartete Prozesse hindeuten. Sie könnten sowohl in grundlegender Hinsicht als auch für biotechnologische Anwendungen von Bedeutung sein. Beispielsweise kann man den Sequenzdaten entnehmen, dass vermutlich so ungewöhnliche Prozesse wie das aus Bakterien bekannte Protein-Spleißen oder das tmRNA-Tagging auch in bestimmten Algenchloroplasten stattfindet. Hier gibt es viel für ein motiviertes Mitarbeiterteam zu entdecken. Der Autor ist nach Aufenthalten an den Universitäten Bochum, San Diego (USA), Boulder (USA) und Freiburg seit 1997 Professor für Zellphysiologie am Institut für Pflanzenphysiologie der Martin-Luther- Universität. Er und seine Arbeitsgruppe forschen im neuen Biologicum (Weinbergweg 10). Abb. 3: Stark vereinfachte Darstellung des Photosystem II Komplexes mit seinen beiden zentralen Proteinen D1 und D2, die zusammen Cofaktoren wie Chlorophyll (Chl), Phäophytin (Phäo), Plastochinone (Q A und QB), Eisen (Fe) und Mangan (Mn) binden. Die Pfeile deuten den Elektronenfluss vom Wasser zum Q B an. Bestimmte Herbizide können Q B aus seiner Bindenische im D1 Protein verdrängen und blockieren so die Photosynthese.
WIR »BASTELN« EINE PHOTOSYNTHESEMEMBRAN TEIL 1: DIE PROTEINE .............................................................................. scientia halensis 4/2002 Fachbereich Biologie Ralf Bernd Klösgen Die Photosynthese ist einer der wichtigsten biologischen Prozesse, denn der überwiegende Teil des organischen Materials auf der Erde besteht letztlich aus umgewandelten Photosyntheseprodukten. Der Ort der Photosynthese ist der Chloroplast (Abb. 1). Bei diesem ausschließlich in Pflanzen vorkommenden Organell handelt es sich um den Abkömmling eines ehemals eigenständigen Bakteriums, das vor vielen Millionen Jahren von dem Vorläufer heutiger Pflanzenzellen aufgenommen und domestiziert worden ist. Dieses Bakterium, vermutlich ein Verwandter der Cyanobakterien, besaß bereits die Fähigkeit zur Photosynthese. Durch diese intrazelluläre (Endo)-Symbiose erlangte daher auch die Wirtszelle die Fähigkeit, das Sonnenlicht als Energiequelle nutzen zu können. Allerdings erforderte das eine immense logistische Leistung, da nun die Genome zweier ehemals eigenständiger Organismen in einer Zelle aufeinander abgestimmt werden mussten. Dies führte zum Verlust bzw. zur Umlagerung einer Vielzahl von Genen, vor allem aus dem Chloroplasten in den Kern der Wirtszelle. nen diese Energie in der »Lichtreaktion« der Photosynthese, in der das Sonnenlicht absorbiert und zur Ladungstrennung sowie zum Aufbau eines Protonengradienten genutzt wird. Dieser Prozess findet an der Thylakoidmembran statt, die deshalb auch als Photosynthesemembran bezeichnet wird. Tatsächlich stellen die Thylakoide ein komplettes Membransystem dar, das den gesamten Chloroplasten durchzieht und die Matrix (Stroma) vom Thylakoidlumen abtrennt. Während der Lichtreaktion kommt es in den Thylakoiden zur »Photolyse« des Wassers, d. h. ............................................................................... zess mehrfach durch die Thylakoidmembran geschleust und dann im Stroma, gebunden an sogenannte Reduktionsäquivalente, zwischengelagert. Diese Reduktionsäquivalente werden dann zusammen mit dem ATP in der anschließenden »Dunkelreaktion« (die allerdings nicht nur im Dunkeln, sondern auch im Licht stattfindet) bei der Fixierung des Kohlendioxids verbraucht. Es wäre natürlich wunderbar, wenn es gelänge, eine solche zur Photosynthese befähigte Membran nachzubauen, schließlich wird weniger als ein Prozent des Sonnenlichtes, das die Erde erreicht, photosynthetisch genutzt. Der Prozess ist also bei weitem noch nicht ausgereizt und könnte sicherlich einen Großteil unserer aktuellen Energieprobleme lösen. Je mehr man über den Aufbau und die Funktion der Thylakoide versteht, desto deutlicher wird aber auch, dass die Idee einer künstlichen Photosynthesemembran noch lange Zeit ein Wunschtraum bleiben wird. So sind immer noch nicht alle beteiligten Komponenten identifiziert und man kennt bisher auch nur von wenigen die genaue Funktion. Vor allem aber ist noch unverstanden, welche Prozesse und Mechanismen erforderlich sind, um all die verschiedenen Einzelkomponenten zu einer funktionellen Photosynthesemaschinerie assemblieren zu können. 31 Was braucht man nun zum Bau einer Photosynthesemembran? Abb. 1: Elektronenmikroskopische Aufnahme von Blattgewebe (P – Chloroplast, M – Mitochondrium) Dieser Prozess ist auch heute noch nicht vollkommen abgeschlossen, denn der Chloroplast trägt weiterhin ein kleines Restgenom mit z. T. essenziellen Genen, von denen einige beispielsweise zum Aufbau einer funktionstüchtigen Photosynthesemaschinerie unabdingbar sind. Die Primärprodukte der Photosynthese sind die Kohlenhydrate, die das Grundgerüst für so unterschiedliche Produkte wie Proteine, Nukleinsäuren und Lipide liefern. Zur Bildung dieser Kohlenhydrate ist es notwendig, den in der Luft als Kohlendioxid vorliegenden Kohlenstoff zu fixieren und zu reduzieren. Dazu wird eine ganze Menge Energie benötigt. Pflanzen gewinzur Spaltung in Elektronen, Protonen und Sauerstoff. Der Sauerstoff ist im Grunde genommen ein Abfallprodukt der Reaktion, das sogar schädlich für die Zelle sein kann. Die »Entgiftung« erfolgt vor allem durch die Atmung, zu der alle aerob lebenden Organismen, natürlich auch der Mensch, befähigt sind. Die entstehenden Protonen akkumulieren zunächst im Thylakoidlumen, wodurch es zur Ausbildung eines Protonengradienten über die Membran kommt. Der kontrollierte Abbau dieses Gradienten wird zur Synthese von ATP, den Energieäquivalenten der Zelle, genutzt. Die aus dem Wasser freigesetzten Elektronen werden dagegen in einem komplizierten Pro- Zunächst einmal Lipide, die das strukturelle Grundgerüst aller Membranen bilden. Die meisten dieser Lipide sind ubiquitär, aber es finden sich auch einige für die Thylakoidmembran spezifische Lipide, deren Funktion noch weitgehend ungeklärt ist. Die zweite wichtige Komponente sind die Pigmente, vor allem Chlorophylle und Carotinoide, die das Sonnenlicht absorbieren und damit erst die ganze Reaktion in Gang setzen. Und dann natürlich noch die Proteine, die diese Pigmente sowie andere an der Elektronenübertragung beteiligte Cofaktoren (z. B. Hämgruppen und Fe/S- Zentren) binden und innerhalb der Membran korrekt positionieren. Mittlerweile hat man mehr als 80 verschiedene Proteinspezies in der photosynthetischen Elektronentransportkette identifiziert, die in vier Multiproteinkomplexen organisiert sind (Photosystem I, Photosystem II, Cytochrom b6/f-Komplex, ATP Synthase). Je-
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