Physiologie und Biotechnologie der pflanzlichen Zelle

Zentraler Kohlenstoffmetabolismus in Cyabobacterien und Pflanzen

 

Revision des zentralen Kohlenhydratstoffwechsels in

 

Cyanobakterien und Pflanzen

 

Cyanobakterien und Pflanzen sind photoautotrophe Organismen, die auf Photosynthese angewiesen sind um CO2 zu fixieren Kohlenhydrate zu synthetisieren (Abb. 1). Diese Kohlenhydrate müssen nachts zerlegt werden, um Energie (ATP), Reduktionsäquivalente und Vorstufen für die Synthese von Nukleinsäuren (DNA, RNA), Aminosäuren und Fettsäuren bereitzustellen.

 

Abbildung 1: Wir untersuchen den zentralen Kohlenhydratstoffwechsel im Cyanobakterium Synechocystis und in der Gerste (Hordeum vulgare).

 

Während heterotrophe Organismen wie Tiere (uns Menschen eingeschlossen) und viele Bakterien für ihren Energie- und Baustoffwechsel ausschließlich auf die Zerlegung von Kohlenhydraten angewiesen sind, betreiben Photoautotrophe Photosynthese und oxidieren außerdem Kohlenhydrate. Der heterotrophe Stoffwechsel wird von Kohlenhydraten gespeist, die ursprünglich aus der Photosynthese stammen. Der Kreislauf aus Photosynthese und Kohlenhydratoxidation treibt somit das Leben auf unserem Planeten substanziell an.

Es wurde lange angenommen, dass Pflanzen und Cyanobakterien (genau wie Tiere) Kohlenhydrate ausschließlich über zwei glykolytische Wege zerlegen: (1) die klassische Glykolyse (Emden-Meyerhof-Parnas Weg (EMP)) und den (2) oxidativen Pentosephosphat Weg (OPP).

Wir haben jedoch kürzlich entdeckt, dass Cyanobakterien zusätzlich über eine dritte glykolytische Route verfügen: (3) den Entner-Doudoroff Weg (ED) (Abb. 2).

 

Abbildung 2: Glykolytische Routen in Cyanobakterien und Pflanzen. Die klassische Glykolyse (EMP) ist in rot, der oxidative Pentosephosphat Weg  in blau und tder Entner-Doudoroff Weg in grün gezeigt.

 

Wie konnten außerdem zeigen, dass Cyanobakterien, die als Vorläufer pflanzlicher Chloroplasten gelten, die Schlüsselenzyme des Entner-Doudoroff Weges (EDD und EDA, (siehe Abbildung 2) über endosymbiontischen Gentransfer an Pflanzen weitergegeben haben. Das Schlüsselenzym des ED Weges (Eda) wurde biochemisch charakterisiert und seine Expression sowohl im Cyanobacterium Synechocystis als auch in der Gerstenpflanze Hordeum vulgare nachgewiesen (Abb. 1). KDPG, welches eine charakteristische Verbindung des ED Weges ist (siehe Abb. 2), konnte darüber hinaus in beiden Organsimen nachgewiesen werden, was zeigt, dass der Weg tatsächlich aktiv ist. Blast Analysen haben ergeben, dass die Schlüsselenzyme des ED Weges sowohl in Cyanobakterien als auch in Pflanzen weitverbreitet sind und außerdem auch in Algen, Moos und Farnen vorkommen. Der ED Weg ist offensichtlich lange in photoautotrophen Organsimen übersehen worden, die oxygene Photosynthese betreiben. Um die Physiologie der verschiedenen glykolytischen Routen und speziell ihr Zusammenwirken mit der Photosynthese zu verstehen, ist es daher notwendig den zentralen Kohlenhydratmetabolismus von Photoautotrophen, die alles Leben auf der Erde substantiell unterstützen, zu revidieren. Weitere Informationen finden Sie in Chen et al 2016, pdf oder eine eher populärwissenschaftliche Darstellung in Research features, pdf.