Allgemeine Pflanzenwissenschaften I. Guten Morgen!

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1 Allgemeine Pflanzenwissenschaften I Guten Morgen! 1

2 Allgemeine Pflanzenwissenschaften: Das Curriculum Block 1: Die pflanzliche Zelle und ihre Komponenten Historisches Das Wasser Membranen Makromoleküle Kern und biologischer Informationsfluss Cytosol Cytoskelett Organellen und Kompartimente: Plastiden, Mitochondrien, Vakuole, Endomembransystem, Microbodies Zellwand 2

3 Die kolligativen Eigenschaften von Lösungen Gelöste Teilchen führen aufgrund der Konkurrenz mit Wassermolekülen zu: 1. Dampfdruckerniedrigung 2. Siedepunktserhöhung 3. Gefrierpunktserniedrigung Lehninger, Principles of Biochemistry 3

4 Die 4. kolligative Eigenschaft: Osmose Eine semipermeable Membran trennt zwei Lösungen. Die Membran ist durchlässig für Wassermoleküle, nicht jedoch für die gelösten Teilchen. Aus einem Bereich geringer Konzentration gelöster Teilchen. hohen Wasserpotentials. hohen osmotischen Potentials. Bewegung des Wassers In einen Bereich hoher Konzentration gelöster Teilchen. niedrigen Wasserpotentials. niedrigen osmotischen Potentials. 4

5 Die 4. kolligative Eigenschaft: Osmose Aufbau osmotischen Drucks Gravitation Wasser und gelöste Teilchen Selektiv permeable Membran Wasser Bewegung der Wassermoleküle Pfeffer sche Zelle 5

6 van t Hoffsche Theorie der Lösungen: 1. Bei konstanter Temperatur ist der osmotische Druck proportional der Konzentration. 2. Bei konstanter Konzentration ist der osmotische Druck proportional der absoluten Temperatur. 3. Äquimolare Lösungen, d.h. Lösungen, die die gleiche Anzahl von Teilchen enthalten, sind isoosmotisch (=isotonisch). The Nobel Prize in Chemistry 1901 "in recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery of the laws of chemical dynamics and osmotic pressure in solutions" Verständnis der Osmose unerlässlich für das Verständnis des Wasserhaushaltes. 6

7 doch zurück zu den Membranproteinen Buchanan, Gruissem & Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants 7

8 Membrantransport Membranen müssen den Austausch von Stoffen zwischen Zellen und Kompartimenten vermitteln. Die meisten biologisch wichtigen Moleküle sind polar oder geladen, können also Biomembranen nicht einfach passieren. 8

9 Die Biomembranen (Plasmamembran und Endomembranen) Funktionen von Biomembranen Bilden abgeschlossene Räume: a. gegen die Umwelt abgeschlossen, b. innerhalb der Zelle verschiedene Reaktionsräume Transportfunktion, um den kontrollierten Austausch von Stoffen zu ermöglichen Träger von Proteinen die an in den Reaktionsräumen ablaufenden Prozessen beteiligt sind Träger von Erkennungszeichen für Zellen Energieumwandlung Signalaufnahme und -weitergabe Transporter Membranverankerte Enzyme Glykoproteine Elektronentransportketten Rezeptoren 9

10 Rezeptoren 10

11 1. Pflanzliche Pathogenabwehr Immunsystem der Pflanzen: Pflanzen sind in der Lage, sich fast aller Bakterien, Pilze, Nematoden etc. zu erwehren, die sie als Substrat nutzen wollen. Wie kann eine Pflanze die Gegenwart eines potentiellen Krankheitserregers erkennen? Buchanan, Gruissem & Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants 11

12 Pflanzen erkennen die Gegenwart potentieller Pathogene. Rezeptoren in der Plasmamembran: angeborene Immunität bei Pflanzen Was könnten molekulare Kennzeichen z.b. für Bakterien sein? Erkennung von Flagellin führt zur Auslösung von Abwehrreaktionen. 12

13 Pflanzen erkennen die Gegenwart potentieller Pathogene. Rezeptoren in der Plasmamembran: angeborene Immunität bei Pflanzen Flagellin dient als verlässliches Kennzeichen für Bakterien. Erkennung von Flagellin führt zur Auslösung von Abwehrreaktionen. 13

14 Verschiedenartigkeit von Membranen in der pflanzlichen Zelle Der Proteinanteil kann sehr stark schwanken: - Innere Mitochondrienmembran, 70 % - Äußere Mitochondrienmembran, 50 % - Chromoplasten, < 20 % Die Lipidzusammensetzung kann sehr unterschiedlich sein: 14

15 Glattes endoplasmatisches Reticulum Kernkörperchen Nucleolus Vakuole Chloroplast Peroxisom Pflanzliche Zellen sind durch Plasmodesmen miteinander verbunden Mittellamelle Kernhülle Interzellulare Zellkern Freie Ribosomen Mitochondrion Plasmaverbindungen Plasmodesmen Rauhes ER Zellwände der Nachbarzellen Ribosom Golgi Apparat Plasmamembran Zellwand Mittellamelle Pflanzenzellspezifische 15 Strukturen

16 Plasmamembran Endoplasmatisches Reticulum Zellwand Desmotubulus Mittellamelle Plasmodesmos Plasmodesmen verbinden benachbarte Zellen miteinander. Es sind kompliziert gebaute Strukturen, die von der Plasmamembran ausgekleidet werden. 16

17 Pflanzliche Zellen sind durch Plasmodesmen miteinander verbunden Jeder Plasmodesmos wird von einem Desmotubulus durchzogen. Dieser besteht aus zusammengepressten ER-Membranen und Elementen des Cytoskeletts. Durch die Verbindung der Cytoskelett-Elemente mit der Plasmamembran ist die Durchtrittsöffnung sehr klein (Moleküle < 800 Da). Die Porengröße ist jedoch regulierbar und erlaubt unter Umständen auch den Durchtritt großer Proteine. Pflanzenviren breiten sich über Plasmodesmen von Zelle zu Zelle aus. Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik,

18 Pflanzliche Zellen sind zu einer physiologischen Einheit, dem Symplasten, verbunden Vom Symplasten unterschieden wird der Apoplast. Buchanan, Gruissem & Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants 18

19 Allgemeine Pflanzenwissenschaften: Das Curriculum Block 1: Die pflanzliche Zelle und ihre Komponenten Historisches Das Wasser Membranen und Transport Makromoleküle Kern und biologischer Informationsfluss Cytosol Cytoskelett Organellen und Kompartimente: Plastiden, Mitochondrien, Vakuole, Endomembransystem, Microbodies Zellwand 19

20 Makromoleküle in Zellen Generell zu Makromolekülen: Begrenzte Zahl von einfachen Bausteinen, durch beliebige Kombinierbarkeit ist jedoch sehr große Vielfalt möglich: schon in einer Bakterienzelle kommen > verschiedene Moleküle vor Informationstragende und strukturelle Makromoleküle: DNA und Polysaccharide als Beispiele 20

21 3 Typen von Makromolekülen sind allgemein verbreitet: Proteine, Nukleinsäuren, Polysaccharide (die 4. Gruppe verbreiteter Moleküle, die Lipide, sind nicht wirklich Makromoleküle) 4 Hierarchieebenen können unterschieden werden Die Zelle und ihre Organelle Supramolekulare Komplexe Makromoleküle Monomere 21 Lehninger, Principles of Biochemistry

22 3 Typen von Makromolekülen sind allgemein verbreitet: Proteine, Nukleinsäuren, Polysaccharide Aufgebaut aus Zuckereinheiten, die durch Kondensation verknüpft werden: Funktionen: Energiespeicher und Strukturelemente. Beide Funktionen sind in Pflanzen besonders ausgeprägt (z.b. Stärke, Cellulose) Kondensation Hydrolyse Saccharose 22

23 Polysaccharide: Stärke Amylopektin: eine verzweigte Kette aus Glucose- Einheiten 23

24 Polysaccharide: Cellulose Die Ausbildung von H-Brücken zwischen Cellulose- Ketten verleiht Festigkeit. 24

25 3 Typen von Makromolekülen sind allgemein verbreitet: Proteine, Nukleinsäuren, Polysaccharide Proteine sind die vielseitigsten biologischen Moleküle: Viele Tausend verschiedene Proteine finden sich in einer Zelle. Rieske-Protein: Elektronentransfer während der Photosynthese Ribulose-1,5-bisphosphat- Carboxylase/Oxygenase (RubisCO) CO 2 -Fixierung 25

26 Proteine können sehr unterschiedliche Funktionen ausfüllen und strukturell sehr verschieden sein Leghämoglobin: O 2 -Bindung in Wurzelknöllchen Tubulin, ein Hauptbestandteil des Zellskeletts Buchanan, Gruissem & Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants 26

27 Proteine können sehr unterschiedliche Funktionen ausfüllen und strukturell sehr verschieden sein Entscheidend für die Funktion eines Proteins ist seine dreidimensionale Struktur. Wie kommt diese Struktur zustande? 27

28 3 Typen von Makromolekülen sind allgemein verbreitet: Proteine, Nukleinsäuren, Polysaccharide Proteine sind aufgebaut aus Aminosäuren Eine Aminosäure: Variabler Rest Säurefunktion (Carboxylgruppe) Aminogruppe 28

29 Proteine sind aufgebaut aus 20 Aminosäuren, die sich in ihren chemischen Eigenschaften unterscheiden Unpolar (hydrophob) Glycin Alanin Valin Leucin Isoleucin Prolin Methionin Phenylalanin Tryptophan 29

30 20 Aminosäuren, die sich in ihren chemischen Eigenschaften unterscheiden Polar, ungeladen (hydrophil) Serin Threonin Cystein Tyrosin Asparagin Glutamin 30

31 20 Aminosäuren, die sich in ihren chemischen Eigenschaften unterscheiden Polar, negativ geladen (hydrophil) Polar, positiv geladen (hydrophil) Aspartat Glutamat Lysin Arginin Histidin 31

32 Aminosäuren sind zu Ketten verbunden: Peptidbindung R R H 2 N C C OH + H 2 N C C OH H O H O R R H 2 O H 2 N C H C O N H C H C O OH 32

33 Primärstruktur = die Reihenfolge der Aminosäuren Die Eigenschaften der Proteine werden durch die Reihenfolge der chemisch unterschiedlichen Aminosäuren bestimmt. 20 Aminosäuren ergeben bei einem kleinen Protein aus 100 Aminosäuren bereits 1,26 x Möglichkeiten 33

34 Interaktionen zwischen Aminosäuren Die dreidimensionale Struktur ergibt sich aus den Interaktionen der Aminosäuren. 34 Mendel, Zellbiologie der Pflanzen

35 Sekundärstruktur Interaktionen über Wasserstoffbrücken führen zu typischen lokalen Sekundärstrukturen. 35

36 Proteine können sehr unterschiedliche Funktionen ausfüllen und strukturell sehr verschieden sein Rieske-Protein: Elektronentransfer während der Photosynthese Rot: α-helix Blau: β-faltblatt 36

37 Die Faltung zur Tertiärstruktur ist meist abhängig von der Aktivität von Helferproteinen. Buchanan, Gruissem & Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants 37

38 2 Klassen von Faltungshelfern: Chaperone (Class I) Chaperonine (Class II) Buchanan, Gruissem & Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants 38

39 Quartärstruktur Die Ausbildung von Proteinkomplexen Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase Das häufigste Protein unserer Erde ist die RubisCO, das Schlüsselenzym der Photosynthese. Ein RubisCO-Molekül besteht aus 8 großen (56 kda) und 8 kleinen (14 kda) Untereinheiten. Die oberste und die unterste Schicht bilden je 4 kleine Untereinheiten (rot). Die mittleren Schichten werden von je 4 39 großen Untereinheiten gebildet.

40 Wie werden Proteine synthetisiert, wie wird ihre Bildung reguliert, wie wird die Information für ihre Synthese gespeichert? 40

41 Allgemeine Pflanzenwissenschaften: Das Curriculum Block 1: Die pflanzliche Zelle und ihre Komponenten Historisches Das Wasser Membranen und Transport Makromoleküle Kern und biologischer Informationsfluss Cytosol Cytoskelett Organellen und Kompartimente: Plastiden, Mitochondrien, Vakuole, Endomembransystem, Microbodies Zellwand 41

42 Glattes endoplasmatisches Reticulum Kernkörperchen Nucleolus Kernhülle Vakuole Chloroplast Peroxisom Mittellamelle Interzellulare Zellkern Freie Ribosomen Mitochondrion Plasmaverbindungen Plasmodesmen Rauhes ER Zellwände der Nachbarzellen Ribosom Golgi Apparat Plasmamembran Zellwand Mittellamelle Pflanzenzellspezifische 42 Strukturen

43 Der Kern enthält die DNA 43

44 - Kernhülle mit Porenkomplexen (gebildet vom ER: Perinuklearzisterne) und Faserschicht - Kernlamina stützt die Kernhülle - Kernplasma (Karyoplasma) - Chromatin (Chromosomen: verschiedene Zustände) - Nucleolus Wann wird die Kernhülle aufgelöst? 44 Mendel, Zellbiologie der Pflanzen

45 Die Kernhülle Die Kernhülle wird vom endoplasmatischen Reticulum gebildet. An der Innenseite befindet sich die Kernlamina (=Nuclearlamina). Diese besteht aus Proteinen (Laminen) und hat Skelett-Funktion. Die Poren der Kernhülle sind kompliziert gestaltete Strukturen, die vor allem dem Export der RNA und dem Import von Proteinen dienen und zwischen 8 und 20% der Oberfläche der Kernhülle einnehmen. Proteine z.b. müssen für den Eintritt in den Kern Nuclear Localization Signals (NLS) tragen. (Beispiele für solche Proteine?) Kleine gelöste Teilchen können die Kernhülle passieren. Daraus folgt, dass es keine osmotischen Vorgänge an der Kernhülle gibt. (Warum?) 45

46 Allgemeine Pflanzenwissenschaften: Das Curriculum Block 1: Die pflanzliche Zelle und ihre Komponenten Historisches Das Wasser Membranen und Transport Makromoleküle Kern und biologischer Informationsfluss Cytosol Cytoskelett Organellen und Kompartimente: Plastiden, Mitochondrien, Vakuole, Endomembransystem, Microbodies Zellwand 46

47 Zur Gestalt von Pflanzenzellen: Cytoskelett und Zellwände Eigentlich müssten Zellen doch kugelrund sein... Neigung zur Minimalisierung der Oberfläche Abweichungen von der Kugelgestalt sind möglich durch inneres Skelett der Zellen (Cytoskelett) oder durch Strukturen außerhalb der Zelle (Zellwände). 47

48 Cytoskelett Das Cytoskelett ist für die Formgebung pflanzlicher Zellen weniger wichtig als in tierischen Zellen, da es außerdem noch Zellwände gibt, die vor allem für die Form verantwortlich sind. Protoplasten ohne Zellwände sind rund. Dennoch machen die Bestandteile des Cytoskeletts auch in Pflanzenzellen einen beträchtlichen Anteil (5-10%) des Gesamtproteins aus. 48

49 Das Cytoskelett Das Cytoskelett ist deutlich dynamischer als die Formgebung durch Zellwände. Bestandteile des Cytoskeletts können schnell aufund abgebaut werden. Neben der Formgebung werden zelluläre Bewegungsvorgänge durch das Cytoskelett vermittelt ( Skelett und Muskeln einer Zelle). Anfärbung der Actin-Filamente eines Trichoms (Blatthaar) mit einem Fluoreszenz-markierten Antikörper Außerdem ermöglicht das Cytoskelett die räumliche Nähe von Proteinen, die in funktionellem Zusammenhang stehen. Als Beispiele seien die Enzyme eines metabolischen Weges oder die Proteine einer Signaltransduktionskaskade genannt. 49

50 Proteine schwimmen nicht einsam im Cytoplasma! 50

51 Das Cytoskelett Das Cytoskelett ist deutlich dynamischer als die Formgebung durch Zellwände. Bestandteile des Cytoskeletts können schnell aufund abgebaut werden. Neben der Formgebung werden zelluläre Bewegungsvorgänge durch das Cytoskelett vermittelt ( Skelett und Muskeln einer Zelle). Anfärbung der Actin-Filamente eines Trichoms (Blatthaar) mit einem Fluoreszenz-markierten Antikörper Außerdem ermöglicht das Cytoskelett die räumliche Nähe von Proteinen, die in funktionellem Zusammenhang stehen. Als Beispiele seien die Enzyme eines metabolischen Weges oder die Proteine einer Signaltransduktionskaskade genannt. Neben der Kompartimentierung ist das Cytoskelett eine zweite entscheidende Erfindung, um das komplexe Geschehen in einer Zelle zu ermöglichen. 51

52 Das Cytoskelett Zwei wesentliche Bestandteile in pflanzlichen Zellen: Mikrotubuli Mikrofilamente Tubulin Actin Es handelt sich jeweils um phylogenetisch sehr alte Proteine. Sie sind hochkonserviert in Eukaryoten, d.h. sie weisen auch zwischen kaum verwandten Arten nur sehr geringe Unterschiede in der Primärstruktur auf. (Wie in tierischen Zellen kommen auch in Pflanzenzellen außerdem Intermediärfilamente vor, z.b. die Lamine der Kernlamina) 52

53 Mikrotubuli und Mikrofilamente Gemeinsame Merkmale: - Aufbau von fädigen Strukturen aus Protein-Monomeren, die nicht-kovalent miteinander verbunden sind - dies ermöglicht dynamischen Auf- und Abbau - beide besitzen eine intrinsische Polarität, da die Protein- Monomere asymmetrisch sind; man unterscheidet Plus- und Minus-Enden (nicht elektrisch gemeint!) 53

54 Molekulare Bausteine der Mikrotubuli sind Dimere zweier ähnlicher Proteine: α-tubulin und β-tubulin (jeweils ca. 50 kda). Aggregation dieser Proteine führt zur Ausbildung einer Röhrchen-Struktur aus 13 Längsreihen mit einem Außendurchmesser von ca. 25 nm. Die Wirkung einiger pflanzlicher Gifte beruht auf der Störung der Mikrotubuli-Dynamik. Taxol (aus Eibenrinde gewonnen) ist ein wichtiges Cytostatikum in der Krebstherapie und stabilisiert Mikrotubuli. (Warum wirkt das cytostatisch?) 54

55 Mikrofilamente Actin: globuläres Protein von 42 kda Masse (G-Actin) Monomere aggregieren zu Filamenten (F-Actin) Phalloidin aus dem Grünen Knollenblätterpilz stabilisiert F-Actin und wirkt darüber toxisch. 55