Vorlesung Zellbiologieund Physiologieder Pflanzen · 3 Aufbau der Vorlesung II: Physiologie der...
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Vorlesung
Zellbiologie und Physiologie der Pflanzen
Prof. Antje von Schaewen
Prof. Iris Finkemeier
Prof. Jörg Kudla
Dr. Stefan Weinl
Dr. Maik Böhmer
Dr. Oliver Batistic
Begleitendes Material:
www.uni-muenster.de/Biologie.IBBP/agkudla
Nutzer: kurs
Password: mars
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Literatur:
1. Buchanan, Gruissem, Jones:
Biochemistry and Molecular
Biology of Plants
(1367 S., ca. 125 €)
2. Taiz, Zeiger:
Physiologie der Pflanzen
(773 S., ca. 55 €)
Aufbau der Vorlesung I:
Kompartimente und Organellen der Pflanzenzelle
- Struktur und Kompartimente der Zelle
- Zellkern und Regulation
- Plastiden, Mitochondrien
- Zellmembranen und Membranproteine
- Membransysteme und zelluläre Transportprozesse
- Cytoskelett
- Zellwand und Zellwachstum
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Aufbau der Vorlesung II:
Physiologie der Pflanze
- Stoffwechsel und Photosynthese,
- Stoffwechsel und Biogenese von Plastiden
- Ferntransport von Stoffen, Source-Sink Beziehungen
- Wasser- und Mineralhaushalt
- Gasaustausch
- Physiologie von Wurzeln und Blättern
Aufbau der Vorlesung III:
Entwicklungsbiologie der Pflanze
- Signalaufnahme und -weiterleitung
- Wachstum und Differenzierung
- Steuerung der pflanzlichen Entwicklung durch Licht
- Funktion pflanzlicher Phytohormone
- Pflanzliche Bewegung
- Blütenmorphogenese
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Physiologische Pflanzenbewegung
Zielstellungen der heutigen Vorlesung :
- Besonderheiten der pflanzlichen Zelle
- Zellorganellen und ihre Funktion
- Zellkern und Regulation
- Genome der Organellen
- Proteintransportprozesse in und aus Organellen
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Die Pflanzenzelle: Struktur und Kompartimente
Besonderheiten der Pflanzenzelle:
• Zellwand
• Plasmodesmen
• Plastiden
• Zentralvakuole
Vergleich: meristematische und differenzierte Zelle
Bildung und Vergrößerung der Zentralvakuole während der
Zelldiffrenzierung
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Subzelluläre Kompartimente in einer
Mesophyllzelle und deren Funktionen
Funktionen (nicht vollständig)
Vakuole Aufrechterhaltung des Zellturgors
Funktionen als Speicher und als “Abfalldeponie”
Chloroplasten Photosynthese, Synthese von Stärke und Lipiden, Hormonen
Cytosol Allgemeines Stoffwechsel-Kompartiment, Synthese von
Saccharose
Mitochondrien Zellatmung
Zellkern enthält das Genom der Zelle
Peroxisomen Reaktionsort für den Ablauf von Prozessen, bei denen toxische
Zwischenprodukte entstehen
endoplasmatisches
Reticulum
Speicherung von Ca2+-Ionen, Beteiligung am Export von Proteinen
aus der Zelle und am Transport von Proteinen in die Vakuole
Golgi-Apparat Verarbeitung und Sortierung von für den Export aus den Zellen
oder für den Transport in die Vakuole bestimmten Proteinen
Die genetischen Systeme der Pflanzenzelle
Transfer von Erbinformation
Transfer von Proteinen, Stoffwechselprodukten und Signalen
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Der Zellkern
Bestandteile des
Zellkerns:
• NU: Nukleolus
• N: Nukleoplasma
• NE: Kernmembran
Der Zellkern
• enthält den überwiegenden Teil der genetischen Information der Zelle
• Kerndurchmesser ca. 5 bis 20 µm
• Information für die Regulation von Stoffwechsel, Wachstum und Differenzierung
• DNA ist in Chromosomen organisiert, bildet gemeinsam mit Proteinen das
Chromatin
• Replikation der DNA und Transkription der DNA
• Auflösung (und Neubildung) der Kernstruktur während der Zellteilung
• RNAs werden aus dem Kern exportiert (mRNAs, rRNAs, tRNAs)
• (regulative und Struktur-) Proteine (z.B. Transkriptionsfaktoren) werden aktiv
importiert und exportiert
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Das Kerngenom – Genomgrößen
Organismus Genomgröße
(Mbp/haploidem Satz)
- Escherichia coli (Darm-Bakterium) 4,6
- Saccharomyces cerevisiae (Hefe) 13
- Caenorhabditis elegans (Fadenwurm) 97
- Drosophila melanogaster (Fruchtfliege) 130
- Homo sapiens (Mensch) 3.000
- Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) 157
- Oryza sativa (Reis) 450
- Lycopersicum esculentum (Tomate) 950
- Solanum tuberosum (Kartoffel) 1.600
- Nicotiana tabacum (Tabak) 4.800
- Triticum aestivum (Weizen) 16.000
- Fritillaria spec. (Kaiserkrone) 130.000
- Paris japonica (Japanische Einbeere) 150.000
Genomgrößen verschiedener Organismen
Arabidopsis:
157 Mbp
Fritillaria:
130.000 Mbp
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Struktur des Kerngenoms
- verschiedene Arten unterscheiden sich im Ploidiegrad des Genoms
diploid: - Arabidopsis thaliana 2n = 10
- Oryza sativa 2n = 24
tetraploid: - Nicotiana tabacum 4n = 48
- Solanum tuberosum 4n = 48
hexaploid: - Triticum aestivum 6n = 126
oktoploid: - Paris japonica 8n = 40
- Kern-DNA ist in Chromosomen organisiert und enthalten unterschiedlichAnteile von:
unikale Sequenzen: Strukturgene
mittelrepetitive Sequenzen: Gene für ribosomale RNAs, Transposons
hochrepetitive Sequenzen: Satelliten-DNA
Struktur eines Chromosoms
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Chromosomenstruktur ist Zellzyklus-abhängig
Der Nukleolus
nicht membranumhüllt aber trotzdem ein distinktes Organell
enthält die aktiv transkribierten ribosomalen Gene und ca. 100 Proteine
besteht aus:
fibrillären Zentrum (Transkription der rDNA)
dichte fibrilläre Umhüllung (rRNA Prozessierung)
granuläre Komponenten (pre-ribosomale Partikel und Ribosomenuntereinheiten)
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Der Nukleolus
fibrillären Zentrum
dichte fibrilläre Umhüllung
granuläre Komponenten
Der Nukleolus
Synthese der rRNAs
rRNA
Ribosomen
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Die Kernhülle
Eigenschaften:
• ist eine dynamische Struktur
• die äußere Kernmembran steht in Verbindung mit den Membranen des ER
• der periplasmatische Raum stellt deshalb mit dem ER Lumen ein Kontinuum dar
• innere Membran: enthält 10 nm Filamente („nuclear lamina“) die das Interphasen-
Chromatin verankern und Kernporen verbinden
besteht aus zwei getrennten Lipiddoppelschicht-
Membranen (dazwischen peri-nukleärer Raum)
enthält Kernporen an denen beide Membranen
miteinander in Verbindung stehen
Die Kernhülle
Der periplasmatische Raum stellt mit dem Lumen des ER ein Kontinuum dar
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Die Kernhülle
NE: Kernmembran
NP: Kernporen
Die Kernpore: Tor ins Kerninnere
Die Kernpore weist eine oktagonale Symmetrie auf
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Kernporen
werden von einem Kernporenkomplex
gebildet
nehmen 8 % bis 20 % der
Kernoberfläche ein
Außendurchmesser ca. 120 nm,
50 nm Porenweite
besteht aus ca. 120 Proteinen
Anzahl variiert mit dem
Transportaufkommen
Der Kernporen-Komplex
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Transport durch die Kernporen
8 periphere Kanäle erlauben die
Diffusion kleiner Moleküle
Zentralkanal (35 nm) vermittelt
aktiven Transport von Proteinen
und RNA
Transport durch die Kernporen
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Transport in den Zellkern benötigt:
1.) Kernpore
2.) Kernlokalisationssequenz (NLS, nuclear localisation sequence)
3.) Carrier-Proteine für Kargotransport:
β-Karyopherine (Importin und Exportin)
4.) Triebkraft für Proteintransport: kleine GTPase Ran
(GDP-Ran: im Cytoplasma und GTP-Ran: im Karyoplasma)
Proteintransport in den Zellkern
Proteintransport in den Zellkern
Import aus dem Cytoplasma:
• Importin-α bindet NLS des Proteins
• Importin-β bindet Importin-α
• Importin-β bindet an Kernpore
• Komplex wird importiert
• Importine dissozieren und werden
exportiert
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Proteintransport in den Zellkern
Regulation des Proteintransports
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Proteintransport aus dem Zellkern
NES: Nuclear Export Signal; XPO1: Exportin 1; RanBP1: Ran-binding Protein 1
RanGAP: Ran GTPase-activating protein
ranGTP/GDP als Motor des Transports
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ranGTP/GDP als Motor des Transports
ranGTP Gradient liefert die
Energie für Kern-Import und
Export
RNA Export aus dem Kern
• einfache RNAs binden direkt an Exportine
• komplexe RNAs bilden Ribonucleoproteine die exportiert werden
• mRNAs werden co-transkriptionell oder co-splicing exportiert
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Import bakterieller DNA
VirD2 und VirE2 tragen pflanzlichen NLS-Sequenzen
Importin-α und Importin-β binden Vir-Proteine und vermitteln den Import in den Kern
Agrobacterium infection
Die genetischen Systeme der Pflanzenzelle
Transfer von Erbinformation
Transfer von Proteinen, Stoffwechselprodukten und Signalen
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Organellen der Pflanzenzelle:
Plastiden und Mitochondrien
Entstehung der Organellen: Endosymbiose
Primäre Endosymbiose: "Endocytose" eines Cyanobakteriums
(Mitochondrien: aus alpha-Proteobakterium)
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Entstehung der Organellen: Endosymbiose
Plastiden
• semiautonome Organellen spezifisch in Pflanzen
• eigenes Genom, ca.150 Gene codiert aber ca. 2500 Proteine in Chloroplasten
• durch Endosymbiose entstanden (zahlreiche prokaryotische Eigenschaften)
• Orte der Photosynthese, Speicherung zahlreicher Makromoleküle,
• Kompartiment für die Synthese zahlreicher wichtiger Moleküle
• sind von einer doppelten Hüllmembran umgeben
• verschiedene Formen von Plastiden haben unterschiedliche Funktion
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Plastidendifferenzierung und -umwandlung
Plastiden vermehren sich durch Teilung
Chloroplasten teilen sich wie ProcaryotenFtsZ Lokalisation
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Struktur der Chloroplasten
Stroma: Innenraum der Chloroplasten
Thylakoide: Membransystem innerhalb der Chloroplasten
Stroma-Thylakoide: einfache Membranbereiche
Grana-Thylakoide: mehrfach gestapelte Membranbereiche
Chloroplasten: Ort der Photosynthese
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Organellen Genome kodieren nicht genug Proteine
Chloroplasten und Mitochondrien enthalten jeweils ca 2000-3000 Proteine
Im Mitochondrien Genom sind jedoch nur 20-60 Proteine und im Chloroplasten
Genom 50 – 200 Proteine kodiert
Die meisten Gene wurden von den Organellen ins Kerngenom transferiert.
18% der Gene im Zellkern von Arabidopsis thaliana haben ihren Ursprung in
Cyanobakterien.
Genauso findet man in eukaryotischen Kerngenomen viele Gene die von α-
Proteobakterien abstammen.
Lateraler Gentransfer
1. Lysis of organelle
2. Uptake of DNA
into nucleus
3. Acquisition of eukaryotic
regulatory sequences
Nach dem Transfer der
Organellen Gene in den
Zellkern müssen diese
eine Promotorsequenz
erlangen, sowie eine
Sequenz für das
Organellentargeting.
Das passiert
wahrscheinlich durch
zufällige Rekombinantion
der DNA mit einer sehr
geringen Rate.
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Nucleär kodierte Proteine enthalten SIGNALSEQUENZEN
für den Transport über Organellenmembranen
N-terminale Signalsequenzen
C-terminale Signalsequenzen
Interne Signalsequenzen
3 Möglichkeiten für den Transfer über Organellenmembranen:
1. Kernpore: Ausgewählte Proteine können im gefallteten Zustand durch die
Pore gelangen.
2. Vesikeltransport: Protein trafficking durch den Golgi Apparat
3. Transmembrantransport: Mithilfe von Membran-spannenden Protein
Translokatoren. Proteine müssen im ungefalteten Zustand transportiert werden.
Synthese und Import von Proteinen in die Chloroplasten
Proteine werden sowohl direkt in den
Chloroplasten synthetisiert, als auch über
Importprozesse aus dem Cytoplasma in die
Chloroplasten importiert.
In die Chloroplasten zu importierende
Proteine besitzen am N-Terminus ein
Signalpeptid, dass den Transport und deren
Import vermittelt.
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Importkomplexe: das TOC-TIC System
TOC- (“translocon on the outer chloroplast membrane”)
und
TIC-Komplexe (“translocon on the inner chloroplast membrane”)
vermitteln den Import der cytoplasmatisch synthetisierten Proteine
N-terminale Signalpeptide werden vom Import-Komplex erkannt und
initiieren den Import in den Chloroplasten
Signalpeptide werden nach dem Import proteolytisch abgespalten
Mutationen in den Importkomplexen führen zu
dramatischen Phänotypen.
(ppi2 = Toc159)
Targeting von Proteinen in den Chloroplasten
Eigenschaften von chloroplastidären Signalpeptiden:
• besitzen keine definierten Strukturmerkmale
• Variable Länge (20 – 150 aa)
• Besitzen tendentiell eine positive Ladung
• Häufige Aminosäuren: Serin, Threonin und Prolin
Das Protein-Targating ist spezifisch für die
Subkompartimente der Chloroplasten:
Alle importierten Proteine besitzen eine Stromale
Targeting Sequenz (rot) die im Stroma abgespalten
wird.
Stromaproteine werden anschließend gefaltet und sind
im Stroma aktiv
Proteine des Thylakoidlumens enthalten einen weitere
Target Sequenz (gelb) die den Import in
dasThylakoidlumen ermöglicht und nach dem Import
ebenfalls abgespalten wird
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Plastidäre Proteinkomplexe bestehen aus kerncodierten
und plastidencodierten Proteinen
Kern vs.Plastiden-DNA
Im rot sind Kern-kodierte Proteine dargestellt
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Gengehalt der Plastiden-DNA
- ca. 120 – 130 Gene
- Plastiden sind semiautonome Organellen
Funktionsbereich Anzahl der Gene
Transkription: RNA-Polymerase 4
Translation: rRNAs 4
tRNAs 30
ribosmomale Proteine 20
Photosynthese: CO2-Fixierung 1
Photosystem I und II 16
Cytochrom-b/f-Komplex 4
ATP-Synthase 6
Sonstige: "NADH-Dehydrogenase"-Komplex 11
Protease 1
Maturase 1
ORF ca. 30
Das Plastom
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Schematische Darstellung verschiedener
Plastome
Das Plastom liegt in zahlreichen Kopien vor
Zelle: ~ 50 Plastiden Chloroplast: ~ 20 Nucleoide Nucleoid: 10 DNA-Moleküle
∑ = 10.000 Plastiden-DNAs pro Zelle
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Genregulation: Transkription
Chloroplastidäre Gene sind oft in polycistronischen Transkriptionseinheiten
organisiert und enthalten zwei oder mehr Gene
Einheiten bestehen oft aus funktionell unterschiedlichen Genen
Deren Regulation erfolgt durch post-transkriptionelle Mechanismen (Splicing,
Editing)
Genregulation: mRNA Prozessierung
Reife Transkripte chloroplastidärer
Gene entstehen durch komplexe
Prozessierung der mRNA:
• Gleichzeitiges Splicen von einem
oder mehreren Introns
• Spalten der mRNA in reife
Produkte
• Editing der mRNAs
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Proteinbiosynthese: Kern vs. Chloroplast
rRNAs: Kern vs. Chloroplast
60S50S
40S30S
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RNA editing in Plastiden
RNA editing in Plastiden
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RNA editing in Plastiden
Plastidenvererbung
Kreuzungsexperimente mit der Wunderblume (Mirabilis jalapa):Kreuzungen mit weiblicher Blüten weißer Blättern bringen immer Weißblättrige Nachkommen hervor, egal welche
Farbe die Blätter der männliche Pollen haben
Umgekehrt bringen Kreuzungen mit weiblichen Blüten grüner Blätter immer Grünblättrige Nachkommen hervor, egal
welche Farbe die Blätter der männliche Pollen haben
Carl Correns:
Widerlegung der Mendel‘schen Regeln:
Maternale Vererbung der Plastiden
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Plastiden werden in der Regel mütterlich vererbt
Plastidenvererbung
Plastidenvererbung - Ausnahmen
Biparentale Plastiden-Vererbung wurde bei diesen Gattungen sicher
nachgewiesen:
Pelargonium („Geranien“)
Oenothera (Nachtkerze)
Hypericum (Johanniskraut)
Medicago (Klee)
Rhododendron
Plumbago (Bleiwurz)
Paternale Vererbung wurde in Gymnospermen nachgewiesen:
Pseudotsuga (Douglasie)
Pinus (Kiefer)
Larix (Lärche)
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Organellen der Pflanzenzelle:
Plastiden und Mitochondrien
Mitochondrien
• 1-3µm lang, 1µm Durchmesser
• Zahl pro Zelle variiert je nach Energiebedarf der Zelle (200-3000)
• Ort der Energiegewinnung in der Zelle
• Ort vieler Stoffwechselprozesse
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Aufbau der Mitochondrien
Aufteilung in äußere und innere Membran
innere Membran ist stark gefaltet und bildet Cristae
innere Membran umschließt die Matrix
zwischen äußerer und innerer Membran befindet sich der Intermembranraum
Funktion der inneren Membran
innere Membran ist stark gefaltet und bildet Cristae
enthält 90% der mitochondrialen Membranproteine und Membranlipide
Ort der Atmungskette
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Funktion der inneren Membran
Viele Multiproteinkomplexe sind an der inneren Membran lokalisiert
Proteinimport in Mitochondrien
translocase of the outer membrane
(TOM)
translocase of the inner membrane
(TIM)
sorting and assembly machinery (SAM)
Mitochondrial intermembrane space
import and assembly (MIA)
presequence associated motor complex
(PAM)
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Größe und Gengehalt des Chondrioms
Art Genomgröße (in kb)- Homo sapiens 17
- Aspergillus nidulans 33
- Saccharomyces cerevisiae 70
- Marchantia polymorpha 187
- Arabidopsis thaliana 367
- Brassica campestris 218
- Zea mais 570
- Cucurbita sp. 2500
Arabidopsis Chondriom:- 57 Gene 10 % des Genoms
- Introns 8 %
- ORF's 10 %
- Duplikationen 7 %
- Kern-DNA 4 %
- Plastiden-DNA 1 %
- ? 60 %
Das Chondriom von Mais
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Mitochondrienvererbung
RNA Editing in Mitochondrien
Plastiden: 40 Editing sites
Mitochondrien: 300 – 400 Editing sites
Verantwortliche Gene:
Multiple organellar RNA editing factors (MORF):
• kerncodiert
• bilden Di- oder Trimere
• Mutanten sind lethal oder zeigen starke
Phänotypen:
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Die genetischen Systeme der Pflanzenzelle
Nächstes Mal: Membranaufbau und Transportmechanismen