Zusammenfassung

Pflanzenbiochemie

Inhalt

Kapitel 1:  Eine Blattzelle ist in mehrere metabolische Kompartimente unterteilt

Kapitel 2:  Die Nutzung der Energie des Sonnenlichtes durch die Photosynthese ist die Grundlage für das Leben auf der Erde

Kapitel 3:  Die Photosynthese ist ein Elektronentransportprozess

Kapitel 4:  Bei der Photosynthese wird ATP erzeugt

Kapitel 5:  Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zellen

Kapitel 6:  Der Calvin-Cyclus ist Reaktionsweg für die photosynthetische CO2-Assimilation

Kapitel 7:  Über den Photorespirationsweg wird das durch die Oxygenaseaktivität der RubisCO gebildete Phosphoglycolat recycelt

Kapitel 8:  Photosynthese ist mit Wasserverbrauch verbunden

Kapitel 9:  Polysaccharide sind Speicher- und Transportform der bei der Photosynthese gebildeten Kohlenhydrate

Kapitel 10:  Die Assimilation von Nitrat wird zur Synthese von organischem Material benötigt

Kapitel 11:  Durch N2-Fixierung kann der Luftstickstoff für das Pflanzenwachstum genutzt werden

Kapitel 12:  Die Assimilation von Sulfat ermöglicht die Synthese schwefelhaltiger Verbindungen

Kapitel 13:  Durch den Phloemtransport erreichen die Photoassimilate ihre Verbrauchsorte

Kapitel 14:  Produkte der Nitratassimilation werden in der Pflanze in Form von Protein gespeichert

Kapitel 15:  Lipide wirken als Membranbausteine und als Kohlenstoffspeicher

Kapitel 16:  Spezialmetabolite erfüllen in Pflanzen spezielle ökologische Funktionen

Kapitel 17:  Eine große Vielfalt von Isoprenoiden erfüllt sehr unterschiedliche Funktionen im Pflanzenstoffwechsel

Kapitel 18:  Die Phenylpropanoide umfassen eine Vielfalt pflanzlicher Spezialmetabolite und Zellwandbestandteile

Kapitel 19:  Vielfältige Signale koordinieren Wachstum und Entwicklung verschiedener Pflanzenorgane und bewirken deren Anpassung an unterschiedliche Umweltbedingungen

Kapitel 20:  Eine Pflanzenzelle besitzt drei verschiedene Genome

Kapitel 21:  Synthese, Prozessierung und Abbau von Proteinen in Pflanzen

Kapitel 22:  Durch Gentechnik können Pflanzen den Bedürfnissen von Landwirtschaft, Ernährung und Industrie angepasst werden

 

Inhalte der Kapitel im Einzelnen

Kapitel 1:  Eine Blattzelle ist in mehrere metabolische Kompartimente unterteilt

  • Die Zellwand verleiht der Pflanzenzelle mechanische Stabilität
  • Vakuolen haben vielfältige Funktionen
  • Plastiden stammen von Cyanobakterien ab
  • Auch Mitochondrien sind durch Endosymbiose entstanden
  • In den Peroxisomen laufen besondere Stoffwechselwege ab
  • Endoplasmatisches Reticulum und Golgi-Apparat bilden ein Netzwerk zur Verteilung von Biosyntheseprodukten
  • Aus Pflanzenzellen lassen sich funktionell intakte Zellorganellen gewinnen
  • Unterschiedliche Transportmechanismen vermitteln einen Stoffaustausch zwischen verschiedenen Stoffwechselräumen

 

Kapitel 2:  Die Nutzung der Energie des Sonnenlichtes durch die Photosynthese ist die Grundlage für das Leben auf der Erde

  • Wie hat es mit der Photosynthese angefangen?
  • Die Energie des Sonnenlichtes wird durch Farbstoffe eingefangen
  • Die Absorption von Licht führt zur Anregung eines Chlorophyllmoleküls
  • Für das Einfangen von Licht ist eine Antenne erforderlich

 

Kapitel 3:  Die Photosynthese ist ein Elektronentransportprozess

  • Photosyntheseapparate sind aus Modulen aufgebaut
  • Bei der Photosynthese entstehen ein Reduktionsmittel und ein Oxidationsmittel
  • Das Konstruktionsprinzip eines photosynthetischen Reaktionszentrums wurde durch Röntgenstrukturanalyse an Purpurbakterien aufgeklärt
  • Wie funktioniert das Reaktionszentrum?
  • Durch Photosystem II wird Wasser gespalten
  • Der Cytochrom-b6/f-Komplex vermittelt den Elektronentransport zwischen Photosystem II und Photosystem I
  • Photosystem I reduziert NADP+
  • Regulationsvorgänge sorgen dafür, dass die eingefangenen Photonen zwischen den beiden Photosystemen verteilt werden

 

Kapitel 4:  Bei der Photosynthese wird ATP erzeugt

  • Ein Protonengradient dient als energiereicher Zwischenzustand bei der ATP-Synthese
  • Entkoppler bewirken die Dissipation des elektrochemischen Protonengradienten in Wärme
  • H+-ATP-Synthasen in Bakterien, Chloroplasten und Mitochondrien besitzen eine einheitliche Grundstruktur
  • Die Synthese des ATP wird durch eine Konformationsänderung des Proteins bewirkt

 

Kapitel 5:  Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zellen

  • Vor der biologischen Oxidation werden die Substrate in gebundenen Wasserstoff und Kohlendioxid zerlegt
  • Zellatmung findet in den Mitochondrien statt
  • Die Substrate für die biologische Oxidation werden im Matrixraum fragmentiert
  • Wieviel Energie wird bei der Oxidation von NADH umgesetzt?
  • Die mitochondriale Atmungskette besitzt Gemeinsamkeiten mit der Elektronentransportkette der Photosynthese
  • Der Elektronentransport der Atmungskette ist über einen Protonentransport mit der ATP-Synthese gekoppelt
  • Mitochondrien aus Pflanzen haben spezielle Stoffwechselfunktionen
  • Die Kompartimentierung des mitochondrialen Stoffwechsels erfordert spezifische Membran-Translokatoren

 

Kapitel 6:  Der Calvin-Cyclus ist Reaktionsweg für die photosynthetische CO2-Assimilation

  • Die CO2-Assimilation erfolgt durch die Dunkelreaktion der Photosynthese
  • Ribulosebisphosphat-Carboxylase katalysiert die Fixierung von CO2
  • Die Reduktion von 3-Phosphoglycerat führt zu Triosephosphat
  • Aus Triosephosphat wird Ribulosebisphosphat regeneriert
  • Neben dem reduktiven Pentosephosphatweg gibt es auch einen oxidativen Pentosephosphatweg

 

Kapitel 7:  Über den Photorespirationsweg wird das durch die Oxygenaseaktivität der RubisCO gebildete Phosphoglycolat recycelt

  • Durch das Recycling von 2-Phosphoglycolat wird Ribulose-1,5-bisphosphat zurückgewonnen
  • Das im Photorespirationsweg freigesetzte Ammonium-Ion wird mit hoher Effizienz refixiert
  • Für die Reduktion des Hydroxypyruvats müssen Peroxisomen von außen mit Reduktionsäquivalenten versorgt werden
  • Die peroxisomale Matrix ist ein spezielles Kompartiment für die Entsorgung toxischer Produkte
  • Wie hoch sind die Kosten der Ribulosebisphosphat-Oxygenase-Reaktion für die Pflanze?
  • Am Kompensationspunkt findet keine Netto-CO2-Fixierung statt
  • Der energieverbrauchende Photorespirationsweg kann für die Pflanze auch nützlich sein

 

Kapitel 8:  Photosynthese ist mit Wasserverbrauch verbunden

  • Bei der Aufnahme von CO2 in das Blatt geht Wasser aus dem Blatt in Form von Wasserdampf verloren
  • Diffusion von CO2 in eine Pflanzenzelle
  • C4-Pflanzen benötigen bei der CO2 -Assimilierung weniger Wasser als C3-Pflanzen
  • Durch den Crassulaceensäure-Stoffwechsel können viele Pflanzen auch noch bei sehr großem Wassermangel überleben

 

Kapitel 9:  Polysaccharide sind Speicher- und Transportform der bei der Photosynthese gebildeten Kohlenhydrate

  • In Form von Stärke können in der Zelle sehr große Kohlenhydratmengen gespeichert werden
  • Die Saccharose wird im Cytosol synthetisiert
  • Die Verwertung des bei der Photosynthese gebildeten Triosephosphats muss strikt reguliert werden
  • In manchen Pflanzen erfolgt der Export der Assimilate aus den Blättern in Form von Zuckeralkoholen oder von Oligosacchariden der Raffinosefamilie
  • Fructane werden als Speichersubstanz in der Vakuole gelagert
  • Cellulose wird durch Enzyme der Plasmamembran synthetisiert

 

Kapitel 10:  Die Assimilation von Nitrat wird zur Synthese von organischem Material benötigt

  • Die Reduktion des Nitrat zu NH3 erfolgt in zwei Teilreaktionen
  • Die Nitratassimilation unterliegt einer strengen Kontrolle
  • Endprodukt der Nitratassimilation ist die ganze Palette der Aminosäuren
  • Glutamat ist Ausgangssubstanz für die Synthese von Chlorophyllen und Cytochromen

 

Kapitel 11:  Durch N2-Fixierung kann der Luftstickstoff für das Pflanzenwachstum genutzt werden

  • Leguminosen bilden eine Symbiose mit Knöllchenbakterien
  • Die N2-Fixierung kann nur bei sehr niedrigen Sauerstoffkonzentrationen erfolgen
  • Die Energiekosten für die Nutzung des N2 als Stickstoffquelle sind höher als bei der Nutzung von NO3
  • Pflanzen verbessern ihre Nährstoff-Versorgung durch die Symbiose mit Pilzen

 

Kapitel 12:  Die Assimilation von Sulfat ermöglicht die Synthese schwefelhaltiger Verbindungen

  • Sulfatassimilation erfolgt durch Photosynthese
  • Glutathion dient der Zelle als Antioxidans und zur Entgiftung von Schadstoffen
  • Aus Cystein wird Methionin synthetisiert
  • Im Überschuss ist Schwefeldioxid für Pflanzen ein Schadstoff

 

Kapitel 13:  Durch den Phloemtransport erreichen die Photoassimilate ihre Verbrauchsorte

  • Es gibt zwei Wege der Phloembeladung
  • Der Phloemtransport erfolgt durch einen Massenstrom
  • Durch Phloementladung werden Sink-Gewebe versorgt
  • Der Glykolyseweg hat eine zentrale Funktion bei der Verwertung der Kohlenhydrate

 

Kapitel 14:  Produkte der Nitratassimilation werden in der Pflanze in Form von Protein gespeichert

  • Globuline sind die am weitesten verbreiteten Speicherproteine
  • Prolamine werden als Speicherproteine in Gräsern gebildet
  • 2S-Proteine kommen in Samen dikotyler Pflanzen vor
  • Proteine schützen den Samen davor, von Tieren gefressen zu werden
  • Die Proteinsynthese der Speicherproteine erfolgt am rauhen endoplasmatischen Reticulum
  • Proteinasen mobilisieren die in den Speicherproteinen deponierten Aminosäuren

 

Kapitel 15:  Lipide wirken als Membranbausteine und als Kohlenstoffspeicher

  • Polare Lipide sind wichtige Membranbausteine
  • Triacylglycerine sind Reservesubstanzen
  • Die Neusynthese von Fettsäuren erfolgt in Plastiden
  • Glycerin-3-phosphat ist Ausgangssubstrat für die Synthese von Glycerolipiden
  • Triacylglycerine werden in den Membranen des endoplasmatischen Reticulums gebildet

 

Kapitel 16:  Spezialmetabolite erfüllen in Pflanzen spezielle ökologische Funktionen

  • Spezialmetabolite dienen oft dem Schutz gegen pathogene Mikroorganismen und Herbivoren
  • Die Stoffklasse der Alkaloide umfasst eine Vielfalt heterocyclischer Spezialmetabolite
  • Pflanzen setzen Blausäure frei, wenn sie von Tieren verletzt werden
  • Einige Pflanzen setzen bei Verletzung flüchtige Senföle frei
  • Pflanzen schützen sich vor Herbivoren durch ungewöhnliche Aminosäuren

 

Kapitel 17:  Eine große Vielfalt von Isoprenoiden erfüllt sehr unterschiedliche Funktionen im Pflanzenstoffwechsel

  • Für die Bildung von Isoprenoiden gibt es in höheren Pflanzen zwei verschiedene Synthesewege
  • Vom Geranylpyrophosphat leiten sich viele Geruchsstoffe ab
  • Farnesylpyrophosphat ist Ausgangsverbindung für die Bildung von Sesquiterpenen
  • Geranylgeranylpyrophosphat ist Ausgangssubstanz für Abwehrsubstanzen, Phytohormone und Carotinoide
  • Viele Substanzen sind aufgrund einer Prenylkette in Membranen löslich
  • Die Regulation der Isoprenoidsynthese

 

Kapitel 18:  Die Phenylpropanoide umfassen eine Vielfalt pflanzlicher Spezialmetabolite und Zellwandbestandteile

  • Die Phenylalanin-Ammoniak-Lyase und Monooxygenasen sind wichtige Enzyme des Phenylpropanstoffwechsels
  • Phenylpropane polymerisieren zu Makromolekülen
  • Für die Bildung von Flavonoiden und Stilbenen wird ein zweiter aromatischer Ring aus Acetatresten gebildet
  • Tannine binden fest an Proteine und haben dadurch Abwehrfunktionen

 

Kapitel 19:  Vielfältige Signale koordinieren Wachstum und Entwicklung verschiedener Pflanzenorgane und bewirken deren Anpassung an unterschiedliche Umweltbedingungen

  • Signalketten und Netzwerke starten mit Rezeptoren
  • Phytohormone umfassen eine Vielfalt unterschiedlicher Substanzen
  • Peptide beeinflussen das Wachstum von Pflanzen
  • Abwehrreaktionen werden durch das Zusammenspiel vieler Signalsubstanzen ausgelöst
  • Lichtsensoren steuern die Entwicklung von Pflanzen

 

Kapitel 20:  Eine Pflanzenzelle besitzt drei verschiedene Genome

  • Im Kern sind die Gene auf mehrere Chromosomen verteilt
  • Die DNA des Kerngenoms wird durch drei spezialisierte RNA-Polymerasen transkribiert
  • Der DNA-Polymorphismus liefert genetische Marker für die Pflanzenzüchtung
  • Springende Gene vagabundieren durch das Genom
  • Die meisten Pflanzenzellen enthalten Viren
  • Plastiden besitzen ein zirkuläres Genom
  • Das mitochondriale Genom von Pflanzen variiert stark in seiner Größe

 

Kapitel 21:  Synthese, Prozessierung und Abbau von Proteinen in Pflanzen

  • Die Proteinsynthese erfolgt durch Ribosomen
  • Proteine erreichen durch eine kontrollierte Faltung ihre dreidimensionale Struktur
  • Kerncodierte Proteine werden auf verschiedene Zellkompartimente verteilt
  • Proteine werden in streng kontrollierter Weise durch Proteasomen abgebaut

 

Kapitel 22:  Durch Gentechnik können Pflanzen den Bedürfnissen von Landwirtschaft, Ernährung und Industrie angepasst werden

  • Ein Gen wird isoliert
  • Agrobakterien können Pflanzenzellen transformieren
  • Die Auswahl von Promotoren erlaubt eine gezielte Expression eines eingeschleusten Gens
  • Durch Antisense und RNAi Technik können Gene ausgeschaltet werden
  • Für die pflanzliche Gentechnik bestehen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten