Quelle Nummer 149
Rubrik 23 : BOTANIK Unterrubrik 23.00 : BOTANIK
ALGENZELLEN
EBERHARD RIES
BEZIEHUNGEN ZWISCHEN GASWECHSEL UND C-EINBAU MONO-
CHROMATISCH BESTRAHLTER ALGENZELLEN,
DISSERTATION ZUR ERLANGUNG DES GRADES EINES DOKTORS
DER NATURWISSENSCHAFTEN, DEM FACHBEREICH BIOLOGIE
DER EBERHARD-KARLS-UNIVERSITAET ZU TUEBINGEN VORGE-
LEGT VON E.R. AUS WESTERSTEDE (OLDB.) 1970
FOTODRUCK PRAEZIS BARBARA VON SPANGENBERG KG, TUEBIN-
GEN 1970, S. 60-68
001 Atmung und Säurefixierung. Wir hatten gesehen,
002 daß einige Bedingungen, welche die Atmung relativ zur
003 Photosynthese begünstigen, auch die Säurefixierung fördern.
004 Es fragt sich deshalb, ob starke Markerung von Aspartat,
005 Glutamat und Malat ein allgemeinerer Hinweis auf eine relativ zur
006 photosynthetischen (Formel)-Aufnahme starke Atmung ist. Das sei an
007 einigen Beispielen geprüft. Im Dunkeln sind die Organismen nur
008 zur Atmung, nicht zur Photosynthese befähigt; es ist also nur
009 Säurefixierung zu erwarten. Tatsächlich werden im Dunkeln ganz
010 überwiegend Aspartat, Glutamat und Malat markiert. Alle
011 Phosphatester zeigen demgegenüber einen recht unbedeutenden (Formel)-
012 Einbau. Ebenfalls nur zur Atmung sind chlorophyllfreie Mutanten
013 befähigt. Tatsächlich zeigen auch sie ein ähnliches (Formel)-
014 Einbaumuster wie die grünen Chlorellen im Dunkeln. Das
015 Fixierungsmuster dieser Mutanten konnte auch durch Farblicht nicht
016 geändert werden. Ähnlich müßten sich nun nach den gewonnenen
017 Vorstellungen grüne Chlorellen im Licht verhalten, deren
018 Photosynthese durch einen Inhibitor völlig gehemmt ist. Dem
019 scheinen allerdings die Ergebnisse von OGASAWARA und
020 MIYACHI (71) zunächst zu widersprechen, nach denen mit
021 CMU behandelte Chlorella ellipsoidea unterschiedlichen (Formel)-
022 Einbau zeigte, je nachdem, ob im Dunkeln, im Rotlicht (679 nm)
023 oder im Blaulicht (453 nm) fixiert wurde. Der wesentlichste
024 farblichtbedingte Unterschied bestand jedoch in einer Verdoppelung
025 der gesamten Fixierungsrate durch Blaulicht gegenüber der
026 Dunkelfixierung und einer annähernden Verdoppelung gegenüber
027 Rotlicht. Die relativen Unterschiede in der Markierung der
028 Einzelsubstanzen sind demgegenüber wesentlich kleiner und erklären
029 sich vielleicht durch eine minimale, trotz der Hemmung noch
030 verlaufende Photosynthese, wofür besonders die sowohl im Blau
031 licht als auch im Rotlicht ausgewiesene Erhöhung der
032 Phosphatester-Markierung spricht. Im übrigen aber werden
033 unter diesen Bedingungen wie bei den eigenen Dunkelfixierungen
034 Aspartat und Glutamat am stärksten und Malat noch beträchtlich
035 markiert, gleichgültig, ob im Blau, im Rot oder im Dunkeln
036 fixiert wurde. EL-HISSY (24) fand bei Pilzen
037 farblichtbedingte Unterschiede in der Markierung einzelner
038 Aminosäuren und organ. Säuren. Die hinsichtlich dieser
039 Säuren sehr viel differenzierteren, praktisch aber
040 phosphatesterfreien Einbaumuster dieser andersartigen Organismen
041 lassen sich jedoch wohl kaum noch mit denen von Chorella vergleichen,
042 wenn auch bei den Pilzen der (Formel)-Einbau ebenfalls über die
043 Carboxylierung von Phosphoenolpyruvat verlaufen dürfte. Werden
044 nun grüne, ungehemmte Chorellen belichtet, so muß im
045 Schwachlichtbereich mit steigender Photosynthese die Markierung
046 von Phosphatestern gegenüber der Säurefixierung beträchtlich
047 zunehmen, wenn die Annahme richtig ist, das - Verhältnis
048 zwischen Atmung und Photosynthese bestimme die Fixierungsmuster.
049 Daß dies der Fall ist, zeigte z. B. Versuch 6 sehr
050 deutlich. Wird im Blaulicht die pro Flächeneinheit eingestrahlte
051 Energie so weit über die im Rot eingestrahlte hinaus erhöht,
052 daß gleiche Fixierungsraten erzielt werden, so wird infolge der
053 Atmungsaktivierung durch das kurzwellige Licht die Atmung relativ
054 zur Photosynthese im Blau immer noch stärker sein als im Rot.
055 Deshalb ist auch unter diesen Bedingungen noch im kurzwelligen
056 Licht eine verstärkte Säurefixierung zu erwarten. Daß sie
057 tatsächlich eintritt, zeigen die Versuche 1-15 (Tabellen 1
058 und 2) und Versuch 11 (Tabelle 11). Im Bereich mittlerer und
059 hoher Beleuchtungsintensitäten kann sich der Blaulichteffekt auf
060 die Atmung, der ja schon bei 500 erg/(Formel) sec seine Sättigung
061 erreicht (53), trotz absolut gleicher Größe nur noch relativ
062 schwächer auf die Fixierungsmuster auswirken, die deshalb jetzt
063 hinsichtlich der unterschiedlichen Wirkung der Lichtfarben eine
064 graduelle Nivellierung erfahren. Ob bei hohen
065 Beleuchtungsintensitäten auch bei Chlorella eine beträchtliche
066 Steigerung der Atmung erfolgt, wie sie für höhere Pflanzen als
067 " Lichtatmung " oder Photorespiration " nachgewiesen ist, muß
068 wohl als noch nicht geklärt gelten, da Chlorella zu den Pflanzen
069 mit sehr niedriger (Formel)-Kompensationslage gehört, bei denen
070 keine (Formel)-Abgabe an ein (Formel)-freies Medium im Licht erfolgt,
071 deren Größe bei höheren Pflanzen als Maß für die
072 Lichtatmung genommen wird. FOCK konnte jedoch mit einer
073 besonderen Methodik bei Pflanzen ohne Lichtbedingte (Formel)-
074 Entwicklung eine starklichtabhängige (Formel)-Aufnahme nachweisen
075 (27), die auch für diese Organismen auf eine beträchtliche
076 Photorespiration schließen läßt. Auf jeden Fall ist im
077 Bereich höherer Beleuchtungsintensitäten die Kurve der relativen
078 Aspartat-Markierung deutlich vom Wirkungsspektrum der
079 Photosynthese mitgeprägt. Sollte deshalb im Starklicht eine
080 Korrelation zwischen Photosynthese und Atmung gegeben sein, so
081 muß man diese auch zwischen Photosynthese und Atmung gegeben sein,
082 so muß man diese auch zwischen Säurefixierung und Atmung
083 annehmen. Zusammenfassend wird man sagen dürfen, daß die
084 Ergebnisse für eine enge Beziehung zwischen Säurefixierung und
085 Dunkelatmung sowie blaulichtaktivierter Atmung sprechen.
086 Darüberhinaus könnte die Säurefixierung auch mit einer
087 starklichtabhängigen oder photosyntheseabhängigen Atmung
088 korreliert sein, die aber als solche bei Chlorella noch nicht
089 eindeutig nachgewiesen wurde. Stickstoff-Einbau.
090 Eine sehr Große Rolle für den C-Einbau spielt der N-
091 Stoffwechsel der Pflanze. Hinsichtlich der eigenen Ergebnisse
092 muß aber zunächst einschränkend gesagt werden, daß keine
093 Versuche mit definierten N-Mangelkulturen gemacht
094 wurden. Dennoch soll im folgenden von der Annahme ausgegangen
095 werden, ein Teil der Kulturen, mit denen die Experimente
096 durchgeführt wurden, seien N-Mangelkulturen gewesen. Dies
097 bedarf einer Rechtfertigung: Der bereits erwähnte beträchtliche
098 pH-Anstieg, der sicher auftrat, wenn eine für einige Tage
099 nicht vedünnte Chlorella-Kultur hoher Zelldichte ohne (Formel)-
100 Begasung blieb, kann nur entweder durch eine selektive Anionen-
101 Aufnahme oder eine selektive Kationen-Abgabe der Algen
102 erklärt werden. Als ausscheidbare Kationen kommen wohl höchstens
103 Ammonium-Ionen in Betracht. Eine (Formel)-Exkretion würde
104 aber bedeuten, daß vom Organismus reduzierter Stickstoff nicht
105 assimiliert werden kann. Sie würde damit auch eine Störung des
106 N-Haushaltes zum Ausdruck bringen. Wahrscheinlicher ist
107 unter den gegebenen Kulturbedingungen aber eine selektive Anionen
108 -Aufnahme. Als Anionen befanden sich überwiegend Nitrat
109 -Ionen, weniger Phosphat-Ionen und
110 vergleichsweise wenig Sulfat-Ionen im Medium (s.
111 Nährlosungsrezept S. 6). Einige der erzielten Ergebnisse
112 lassen sich nun aber völlig zwanglos - besonders auch unter
113 Berücksichtigung der Ergebnisse anderer Autoren (13, 113) -
114 als Konsequenzen von N-Mangel deuten. Nach
115 STROTMANN (98) wird Chlorella-Suspensionen
116 zugesetzter Nitrit-Stickstoff im Licht schnell und restlos in
117 organische Bindung überführt. Dabei muß zwischen der Nitrit
118 -Reduktion und der Reaktion, die den anorganischen Stickstoff
119 in organische Bindung überführt, eine enge Koppelung bestehen,
120 die bewirkt, daß nicht mehr Nitrit reduziert wird, als in
121 organische Substanzen eingebaut werden kann. Damit ist die Menge
122 des aufgenommenen Stickstoffs abhängig von der Zahl der
123 Akzeptormolekühle, die z. B. der CALVIN-Cyclus
124 liefert. Tatsächlich kann mit der Drosselung des Zustromes von
125 Photosynthese-Produkten die Nitrit-Reduktionsrate gesenkt
126 werden. So erfolgt im (Formel)-freien Medium im Licht keine
127 beträchtliche N-Reduktion (48). STROTMANN konnte
128 zeigen, daß z. B. die Hemmung des CALVIN-Cyclus
129 durch Jodacetamid eine gleichartige Wirkung wie der Entzug von (Formel)
130 auf die Kinetik der Nitrit-Reduktion ausübt. Dabei werden
131 in beiden Fällen die offenbar aus einem Reservepool gespeiste
132 Initialphase der Nitritaufnahme im Licht und die Nitrit-
133 Reduktion im Dunkeln kaum, die stationäre Lichtphase dagegen
134 beträchtlich oder völlig gehemmt (98) 9 Ist nun die (Formel)-
135 Reduktion einerseits Voraussetzung für eine erheblichN-
136 Aufnahme der Algen, so ist sie andererseits doch auch
137 Konkurrenzreaktion für sie, da beide Reaktionen der
138 photosyntetisch gewonnenen Reduktionsäquivalente bedürfen.
139 Deshalb bewirkt Nitritzugabe oder Nitratzugabe bei
140 niedriger Beleuchtungsstärke eine Senkung der (Formel)-
141 Fixierungsrate. Damit wird deutlich, daß über die N-
142 Reduktion eine besondere Möglichkeit der Stoffwechselsteuerung
143 gegeben ist. Es stellt sich jetzt die Frage, welche Verbindung
144 durch das Ausmaß ihrer Synthese als N-Akzeptor bestimmend
145 für den Umfang der N-Reduktion sein könnte, bzw. welche
146 Substanz umgekehrt in Abhängigkeit vom Ausmaß der N-
147 Assimilation synthetisiert werden könnte. Da die Nitritreduktion
148 im Licht photosyntheseabhängig ist, kommt als dieser N-
149 Akzeptor nur ein Photosyntheseprodukt, d. h. eine
150 frühzeitig (Formel)-markierte Substanz in Betracht. Zwar könnte
151 der reduzierte Stickstoff zuvor von einer Verbindung übernommen
152 werden, deren Pool photosyntheseunabhängig ist, müßte dann aber
153 doch schnell auf ein früh markiertes Produkt übergehen, dessen
154 Synthese geschwindigkeitsbestimmend ist. Die Markierung dieser
155 Substanz müßte in Anbetracht des ganz erheblichen
156 Stickstoffeinbaues beträchtlich sein. Schließlich müßte die
157 Markierung dieser Verbindung im Dunkelrelativ stärker als im
158 Licht erfolgen, da der N-Einbau im Duneln gegenüber dem im
159 Licht nicht im gleichen Verhältnis herabgesetzt wird wie der C
160 -Einbau. Die einzigen Fixierungsprodukte, die dieser
161 Bedingungen uneingeschränkt erfüllen, sind Aspartat und
162 Glutamat. Nach BASSAM und KIRK ist die reduktive
163 Aminierung von *ya-Ketoglutarat unter Bildung von Glutamat
164 bei Chlorella vermutlich der erste N-Einbauschritt (8).
165 Die Aminogruppe kann jedoch unter der Wirkung der Glutamat-
166 Oxalacetat-Transaminase leicht ausgetauscht werden. Die
167 Kinetik der (Formel)-Markierung von Aspartat und Glutamat läßt
168 jedenfalls vermuten, daß die Synthese von Oxalacetat in
169 entscheidenderem Maße als die von *ya-Ketoglutarat der
170 geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist. Das gilt
171 selbstverständlich besonders dann, wenn man annimmt, daß
172 Glutamat aus Axalcetat über den KREBS-Cyclus hervorgeht.
173 Wie die in den Tabellen wiedergegebenen Markierungsmuster zeigen,
174 findet sich nach Dunkelfixierung in der Regel über 50 % des
175 fixierten (Formel) in Aspartat, ein weiterer beträchtlicher Teil in
176 Glutamat. Auch im schwachen Licht bleibt Aspartat immerhin
177 zunächst die stärkst markierte Einzelverbindung. Wenn nun den
178 beiden Aminosäuren die beschriebene Rolle im Stoffwechsel zukommt,
179 so muß absinkender Nitratgehalt der Nährlösung ihren (Formel)-
180 Einbau herabsetzen. Im Versuch 7 (Tabelle 5) kamen Algen mit
181 erschöpfter, in Versuch 8 (Tabelle 7) mit frischer
182 Nährlösung zur Verwendung. Ein Vergleich zeigt sofort, daß
183 der N-Mangel sich stark senkend nur auf die relative
184 Markierung von Aspartat und Glutamat ausgewirkt hat, während
185 Alanin, Glycin und Serin in Versuch 7 gegenüber Versuch 8
186 sogar einen höheren relativen (Formel)-Einbau aufweisen. Hieraus
187 lassen sich nun zwar ohne Kenntnis der genauen Kinetik der
188 Markierung der Substanzen und ihrer gesamten Poolgrößen bzw.
189 ihrer spezifischen Aktivitäten keine zwingende Schlüsse ziehen.
190 Dennoch legt dieses Resultat die Vermutung nahe, daß Aspartat
191 und Glutamat infolge des N-Mangels vermindert synthetisierrt
192 werden, daß die Synthese der übrigen Aminosäuren dagegen nicht
193 unmittelbar abhängig vom Stickstoffeinbau der Zelle ist,
194 daß bei ihnen vielmehr ein leichter Aufstau durch verringerten
195 Einbau im Proteine und Nucleinsäuren erfolgt. Nach AHMED
196 erreicht bei Lichtfixierung der (Formel)-Einbau in Aspartat und
197 Malat im Lebenscylus synchronisierter Chlorellen sein Maxium
198 während und kurz nach der Freisetzung der Autosporen in der
199 Dunkelphase und sein Minium in der zweiten Hälfte der Lichtphase
200 (1). Hiermit korreliert praktisch völlig die Aktivität der
201 lichtabhängigen Nitritaufnahme von Chlorella in Abhängigkeit von
202 der Entwicklungsphase der synchronisierten Zellen nach
203 STROTMANN (98). Am bemerkswertesten aber ist wohl, daß
204 STROTMANN und RIED (99) eine Abhängigkeit der
205 Nitrireduktion bzw. des N-Einbaues von der Farbe und
206 Intensität des Lichtes nachweisen, die weitgehend mit der von
207 KOWALLIK (53, 56), RIED (82) sowie von
208 PICKETT und FRENCH (77) festgestellten Abhängigkeit
209 der Atmung von den gleichen Faktoren übereinstimmt und eine
210 Erklärung für die Blaulicht und Rotlicht
211 unterschiedlichen (Formel)-Markierungsmuster geben könnte: Nach
212 STROTMANN und RIED steigert schwaches Blaulicht
213 (unterhalb 500 nm) die atmungsabhängige Nitritaufnahme in kinetisch
214 sehr ähnlicher oder gleicher Weise wie die respiratorische (Formel)-
215 Aufnahme selbst. Für beide Beleuchtungseffekte besteht die
216 gleiche spektrale Abhängigkeit (Maxima zwischen 400 und 480 nm,
217 steiler Abfall bei 500 nm), die gleiche Empfindlichkeit gegen
218 Antimycin A und die gleiche Unempfindlichkeit gegen DCMU.
219 Beide Effekte sind vom Sauerstoffgehalt des Mediums abhängig.
220 (Formel)-Entzug verhindert beide völlig, wie jede andere
221 Atmungshemmung in gleicher Weise auf beide negativ wirkt.
222 Demgegenüber wird die photosynthetische Nitritreduktion von der
223 (Formel)-Konzentration und durch Starklicht in Abhängigkeit von
224 dessen Intensität stimuliert. Das Aktionsspektrum dieses
225 Effektes entspricht dem der Photosynthese, wenn kein Sauerstoff
226 im Medium ist. Ist • zugegen, so überlagern sich Starklicht
227 effekte und Schwachlichteffekt. Offen bleibt dabei
228 wiederum nur, ob die erwähnte (S. 62), bei höheren
229 Pflanzen sicher auftretende photosynthesebedingte
230 Starklichtaktivierung der Atmung auch bei Chorella erfolgt. In
231 diesem Falle wären auch im Starklicht Atmung, N-Einbau und
232 Markierung der Dicarbonsäuren miteinanser korreliert. Die (Formel)
233 -Unabhängigkeit der photosyntheseabhängigen Nitritreduktion
234 zeigt allerdings wohl, daß eine notwendige Korrelation
235 zwischen dieser und der Atmung nicht gegeben ist. Das schließt
236 aber die Möglichkeit nicht aus, daß sie unter physiologischen
237 Bedingungen, d. h. bei Gegenwart von Sauerstoff im Medium.
238 praktisch doch vorliegt. Wenn nun diese Beobachtungen und
239 Überlegungen richtig sind, können sie weitgehend die
240 lichtabhängigen Unterschiede im C-Einbau erklären, die in
241 den hier wiedergegebenen Markierungsmustern zum Ausdruck kommen:
242 Da die Nitritreduktion der aus der Carboxylierung von
243 Phosphoenolpyruvat hervorgegeangen Dicabonsäuren als N-
244 Akzeptoren und möglicherweise die Atmung dieser Säuren als
245 Substrat bedarf, muß ein durch schwaches Blaulicht
246 hervorgerufener verstärkter Stickstoffeinbau und damit eine
247 verstärkte Atmung mit einer erhöhten Synthese von Dicabonsäuren
248 und damit einer erhöhten Carboxylierung von Phosphoenolpyruvat
249 gekoppelt sein. Diese kann im Licht nur auf Kosten der
250 Phosphatester des CALVIN-Cyclus erfolgen. Unter
251 Starklichtbedingungen werden die Verhältnisse komplizierter. Der
252 Schwachlichteffekt des Blaulichtes bleibt zwar erhalten, d.h.
253 Aspartat und Glutamat werden im Blaulicht stärker markiert
254 als im Rotlicht. Es kommt jetzt aber auch die Photosynthese-
255 Abhängigkeit des N-Einbaues zum Ausdruck: Die Kurve der
256 relativen (Formel)-Markierung von Aspartat folgt jetzt deutlich dem
257 Wirkungsspektrum der Photosynthese. Im übrigen scheint unter
258 Starklichtbedingungen bei reichlicher Stickstoffversorgung die
259 Aminierung von Oxalacetat kompetitiv hinsichtlich der Reduktion zu
260 Malat zu erfolgen: In Übereinstimmung mit den einleitend (S.
261 3/4) erwähnten Ergebnissen VOSKRESENSKAYAs
262 wird unter diesen Bedingungen Malat im Rotlicht oft stärker als
263 im Blaulicht markiert. Im Sinne unserer Deutung kann auch der
264 Einfluß von Kohlendioxid im Medium beleuchteter Chlorellen auf
265 die (Formel)-Markierungsmuster gesehen werden: Nach TRUKHIN
266 (106) hebt hoher (Formel)-Gehalt (über 1 Vol.-%) der
267 zur Begasung der Chlorella-Suspensionen verwendeten Luft die
268 unterschiedlichste Wirkung roten und blauen Lichtes auf die
269 chemische Zusammensetzung der Zellen auf. Verringerung des (Formel)
270 -Gehaltes führt zu einer Abnahme des gesamten
271 Stickstoffgehaltes und zu einer Zunahme der Kohlenhydrate in der
272 Zelle. Dieser Effekt wird besonders einleuchtend, wenn man sich
273 vor Augen hält, daß die N-Akzeptormoleküle zu ihrer
274 Synthese im Anschluß an den CALVIN-Cyclus einer zweiten
275 Carboxylierung bedürfen. Es bleiben jetzt noch die Bedingungen
276 der Saccharose-Synthese zu erörtern. Dazu seien die
277 Ergebnisse von Versuch 7 und 8 verglichen. Beide Versuche wurden
278 unter gleichen Bedingungen durchgeführt, jedoch fanden für
279 Versuch 7 Algen in einer erschöpften Nährlösung, für Versuch
280 8 dagegen solche in einem frischen Nährmedium Verwendung. Wie
281 das Ergebnis von Versuch 8 zeigt, wird bei reichlicher
282 Stickstoffversorgung der Organismen die Saccharose nur minimal
283 markiert, und selbst im Rotlicht muß dann ihr (Formel)-Gehalt
284 nicht signifikant erhöht sein. Insoweit stimmt dies mit den
285 Resultaten einer Arbeit VOSKRESENSKAYAs und
286 GRISHINAs (1958) an höheren Pflanzen überein, wonach
287 die unterschiedlichen Farblichtwirkungen nur bei knapper
288 Stickstoffversorgung der Pflanzen manifest werden sollen (113).
289 Bei erschöpfter Nährlösung dagegen (Versuch 7) ist schon im
290 Blaulicht Saccharose nicht unbeträchtlich markiert. Wird jetzt
291 die N-Einbaurate durch Rotlicht (d. h. fehlendes
292 Blaulicht) weiter herabgesetzt, so kommt es zu einer extremen
293 Saccharose-Synthese.
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