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30.05.2016
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Vorlesung Zellbiologie Physiologie und Genetik
SoSe 2016
Pflanzenpigmente und Photosynthese
Prof. Dr. Iris FinkemeierInstitut fr Biologie und Biotechnologie der Pflanzen
Chloroplasten 2
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Die Photosynthese besteht aus zweimiteinander verbundenen Reaktionen
Adapted from Kramer, D.M., and Evans, J. R. (2010). The importance of energy balance in improving photosynthetic productivity. Plant Physiol.155: 7078.
Chloroplast2 H2O O2 + 2 H+ + 2 ADP H+ATP
Die Lichtreaktionen in der Thylakoidmembran
Die Kohlenstofffixierungim Stroma
2 NADP+
2 NADPH
2 H+e
e
Linearer Elektronentransport dient der Erzeugung von Reduktionskraft (NADPH)
und eines Protonengradienten, der die ATP-Synthese antreibt
Buchanan et al., Biochemistry & Molecular Biology of Plants; Amer. Soc. of Plant Physiol.
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Photosynthetischer linearer ElektronentransportOxidation von Wasser und Reduktion von NADPH
Wellenlngen des Lichts
Gammastrahlen
Rntgenstrahlen
IR
Visible
UV
Mikrowellen
Radiowellen
1 nm 1 m 1 mm 1 mWellenlngen
500nm
400nm
600nmWellenlngen
Viel EnergieHohe FrequenzKurze Wellenlnge
Geringe EnergieGeringe FrequenzLange Wellenlnge
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Lichtabsorption
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Das Blatt er-scheint grn, weil alle Wellen-lngen auer grn absorbiert werden
Grnlcke
Wichtige Pigmente der Photosynthese
300 400 500 600 700 800Wellenlnge (nm)
Abs
orpt
ions
spek
trum
phot
osyn
thet
isch
erP
igm
ente Chlorophyll a
Chlorophyll b-CarotinPhycoerythrinPhycocyanin
Akz
esso
risch
eP
igm
ente
-Carotin
Chlorophyll a
Tetrapyrrolring mitMg im Zentrum
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polarem Tetrapyrrol-Ring (farbig, durch konjugierte Doppelbindungen) zentralem Magnesium-Atom (Mg2+-freies Chlorophyll = Phaeophytin, griech. hsslich) hydrophobem Phytolschwanz (dient der Membran-Verankerung) nicht-kovalenter Assoziation mit sogen. chlorophyll-binding proteins (CBPs) Chlorophylle unterscheiden sich in ihren Seitengruppen und im Tetrapyrrolring (Abb. ob.) Seitengruppen (Methyl-, Aldehyd-, etc.), bedingen die Position der Absorptionsbanden
AldehydMethylChlorophyllePorphyrin-Ringsystem mit zentralem Metall-Atom (Magnesium)
bestehen aus:
CarotinoideAlle photosynthetischen Membranen enthalten neben ChlorophyllenCarotinoide (nicht-kovalent an Chlorophyll-Bindeproteine gekoppelt)
Carotinoide sind lipophile, gelb-orange Pigmente mit konjugierten Doppel-bindungen (aliphat. Kette) und endstnd. Ionon-Ringen (-Carotin-Derivate)
Xanthophylle enthalten Sauerstoff sind daher weniger lipophil als -Carotin Carotinoide sind akzessorische Photosynthese (PS)-Pigmente Funktion: Schutz des PS-Apparates vor zu hoher Lichtenergie (O2-Radikalen)
Eigenschaften zeigen sich bei chromatographischer Trennung
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Anthocyane 11
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Das Grundgerst der Anthocyane besteht aus einem sauerstoff-haltigen Heterocyclus (Pyran) mit ankondensiertem Benzolring.
Der Absorptionsbereich wird auer von der Moleklstruktur auch vom pH-Wert der Umgebung beeinflusst. Im sauren Milieu berwiegt die Rot-frbung, im basischen vor allem Blau- und Violetttne.
Kein Pigment der Photosynthese
Wird in der Vakuole gespeichert
Wird vermehrt unter Stress gebildet
Kommt vor allem in Epidermiszellen vor
UV-Schutz fr die Photosynthese
Photosynthese:Wirk- und Absorptionsspektrum 12
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Eigenschaft der Pigmente:
Wenn Chlorophylle oder andere Pigmente Licht absorbieren, werden Elektronen auf ein hheres Energieniveau gehoben
Pigment + Licht = Pigment*
Pigmente: Anregung durch Licht14
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S0
S1
S2
Wrme
EFlu
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Die Chlorophyll-Fluoreszenz ist ein diagnostisches Werkzeug zum Nachweis und zur Untersuchung der Photosynthese (Effizienz)
PhotosyntheseLicht
Fluoreszenz Wrme
Zellen des Schwamm-parenchyms(Tabak-Blatt)
Der angeregte Zustand von Chlorophyll ist kurzfristig. Rckkehr zum Grundzustand
kann auf vier Wegen erfolgen:
Chl
Chl*Photon
4. Elektronenbertragung (Photochemie): Energie wird als energiereiches Elektron auf benachbartes Molekl bertragen (Elektronenakzeptor) und hinterlsst Elektronenlcke im ursprnglichen Molekl (Ladungs-trennung).
1. Relaxation (Nicht-photochemisches quenchen; Energie wird in Wrme umgewandelt)
2. Fluoreszenz (Energie wird in Form von langwelligerem Licht abgestrahlt)
3. Resonanzenergiebertragung (Excitonentransfer):Energie wird auf anderes Pigmentmolekl bertragen und regt dieses an.
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Trennplatte im Dunkeln (bei Blaulicht-Anregung)
Chlorophylle relaxieren vom 1. Anregungszustand durch Abgabe von rotem Fluoreszenz-Licht
Carotin(oide) relaxieren dagegen thermisch (strahlungslos)
Carotinoide Chl b, a -Carotin
abnehmende Polaritt (bessere Pigment-Lslichkeit in der mobilen Phase (hydrophobes Laufmittel)
Dnnschicht-chromatographische Trennung
von Blattpigmenten
(feste Phase: Papier, Kieselgel)
START
Carotinoide Chl b, a -Carotin
Photosynthese und Lichtintensitt
Adapted from Li, Z., Wakao, S., Fischer, B.B. and Niyogi, K.K. (2009). Sensing and responding to excess light. Annu. Rev.Plant Biol. 60: 239-260.
Light intensity
Rat
e of
ph
otos
ynth
esis
Bei geringerLichtintensitt:
Lichtintensittlimitiert
Photosynthese-leistung
Bei hoher Lichtintensitt: Zu viel Licht kann die
Photosynthesekomplexe schdigen
Der metabolische und physiologische Status der Pflanze oder Zelledefiniert wieviel Licht
zu viel ist
Optimal conditions
Stressed conditions
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Dissipation von zu viel Licht via non-photochemical quenching NPQ
Non-photochemical quenching Setzt sich zusammen aus:
qE = Energie-abhngiges Quenching: Xanthophyll-ZyklusqT = State transition: Bewegung von LHCIIqI = Photoinhibition: Verlust der Photosyntheseleistungdurch Licht-induzierte Schdigung
Chl
1Chl*
Photon Non-photochemical quenching (NPQ)
Energie-abhngiges quenching (qE) macht den Haupteil von NPQ aus
PSII
[H+]
LHC PSIILHC
Normallicht: HoheEffizienz der Photosynthesebei Ausnutzungder vollenLichtenergie
[H+]
[H+]
[H+][H+]
VDEStarklicht:Energie-abhngigesquenching 1. Ansuerung des Lumens aktiviert dieViolaxanthin De-epoxidase (VDE)
2. VDE wandeltViolaxanthin in Zeaxanthin um. Absorption des Lichts durch Zeaxanthin fhrt zurDissipation der Lichtenergie
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Zu viel Anregungsenergie kann zu photo-oxidativen Schden fhren
Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd Demmig-Adams, B. and Adams, W.W. (2000). Photosynthesis: Harvesting sunlight safely. Nature. 403: 371-374.
Photonen-angeregtes Chlorophyll bildet angeregtes SingulettChlorophyll 1Chl*1Chl* kehrt zum Grundzustandzurck durch:
PhotochemieFluoreszenzDissipation
(z.B., Hitze, NPQ)
Alternativ, wird 1Chl* zumangeregten Triplett Chlorophyll 3Chl* umgewandelt, welches seine Energie auf Sauerstoff transferiert. Dabei entsteht Singulett-Sauerstoff, der Zellschdenverursachen kann.
P
F
D
NPQ
Salzstress
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Verschiedene Pflanzenspezies habeneine unterschiedliche Salztoleranz
Arabidopsis thaliana
Saltbush (Atriplex amnicola) ist ein Halophyt
Reprinted by permission of Annual Reviews from Munns, R. and Tester, M. (2008). Mechanisms of salinity tolerance. Annu. Rev. Plant Biol. 59: 651-681.
Warum bedeutet zu viel Salz Stress fr die Pflanze?
Adapted from Horie, T., Karahara, I. and Katsuhara, M. (2012). Salinity tolerance mechanisms in glycophytes: An overview with the central focus on rice plants. Rice. 5: 11; see also Munns, R. and Tester, M. (2008). Mechanisms of salinity tolerance. Annu. Rev. Plant Biol. 59: 651-681 and Shabala, S. and Pottosin, I. (2014). Regulation of potassium transport in plants under hostile conditions: implications for abiotic and biotic stress tolerance. Physiol. Plant. 151: 257-279.
Salzstress
Ionen Imbalance: zu wenig K+ / zuvielNa+ Influx
inhibiert:Wasseraufnahme, Wachstum, Photosynthese
inhibiert:
Enzymaktivitten, Photosynthese
Osmotischer StressOxidativerStress
inhibiert:
Enzymaktivitten, Photosynthese
resultiert in:BlattSeneszenz
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Praktikumsversuch: 1. Pigmentkonzentrationen
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To do:Pro Arbeitsgruppe:
Entnehmen sie pro Behandlung vier Blattscheiben fr je zwei Replikate fr:1. Chlorophyll a,b und Carotinoide Bestimmung2. Anthocyan Bestimmung
Fr die zuverlssige Bestimmung der Mittelwerte bentigen wir insgesamt 5 Replikate. Die anderen 3 Replikate messen sie mit Extrakten ihrer Nachbar-AGs.
Kontrolle 50 mM NaCl 150 mM NaCl
Praktikumsversuch: 1. Pigmentkonzentrationen
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Chl a = 0,013730 A663 0,000897 A537 0,003046 A647
Das Lambert-Beersche Gesetz stellt einen quasilinearen Zusam-menhang zwischen Konzentration und Absorption her (< 0.8).
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Abb. 1: Konzentration von Pigmenten in Arabidopsis thalianaBlttern nach einw