pflanzenpigmente und photosynthese - uni- .energieniveau gehoben pigment + licht = pigment*...

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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