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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