Die Regulation der Photosynthese durch das Licht

Renate Scheibe

Das Thioredoxin-System balanciert Enzymaktivitaten.

Licht ist fur die Pflanzen nicht nur Energielieferant fur die Assimilation von Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel, sondern es greift auf verschiedenen Ebenen auch regulatorisch in

Stoffwechsel und Entwicklung ein. Das vom photosynthetischen Elektronentransport abhangige Ferredoxin/Thioredoxin-System reguliert im Zusammenwirken mit dem

photosynthetisch erzeugten Sauerstoff die aktuellen Aktivitaten wichtiger Chloroplasten- enzyme und paflt sie der jeweils aktuellen Stoffwechselsituation an. Biochemische Voraus-

setzung fur diese Regulation ist die reversible Redoxmodulierbarkeit regulatorischer Cysteinreste, wodurch die Enzyme einem Hauptschalter gleich an- und abgeschaltet

werden. Stoffwechselzwischenprodukte modulieren den Redoxzustand im Sinne einer Fein- einstellung, ,,Dimmer". Das Thioredoxin-System spielt also eine zentrale Rolle fiir die Ein- stellung der Stoff- und Energieflusse in der Photosynthese. Da die Nutzbarmachung leicht

oxidabler Thiolgruppen in zellularen Enzymen fur die Regulation ihrer Aktivitat eine Anpassung an die oxygene Photosynthese und an eine oxidierende Atmosphare darstellt,

wird auch auf die Evolution der dafiir notwendigen Proteinstrukturen eingegangen.

ahrend die Prozesse der Photosynthese W und der Assimilation in ihrem grundsatz- lichen Ablauf bereits in allen einschlagigen Lehrbiichern beschrieben werden, gerat das Kapitel iiber die Regulation dieser Stoffwechselwege meist sehr knapp und laflt viele Fragen offen. Dies hangt sicher- lich damit zusammen, dafl die Reaktions- ketten und die Reaktionsprinzipien bereits durch umfassende biochemische Studien aufgeMart wurden, was sich auch in der Vergabe von Nobelpreisen niederschlug. So erhielt Melvin Calvin 1961 fur seine Arbei- ten zur Reaktionsfolge von C02-Fixierung und -Assimilation (Calvin-Zyklus) den No- belpreis fur Chemie. Die chemiosmotische Hypothese, die das Prinzip der Synthese von ATP erklart, wurde ebenfalls mit einem Nobelpreis honoriert (Peter Mitchel, 1978).

Schliefllich erfuhr das Geschehen im pho- tosynthetischen Reaktionszentrum selbst erst kiirzlich groi3e Beachtung, nachdem es gelungen war, ein bakterielles Photosystem zu kristallisieren und seine Struktur aufzu- klaren (Nobelpreis 1988 an R. Huber, H. Michel und J. Deisenhofer).

Das Interesse der Forschung richtet sich in gleicher Weise auf biochemische wie oko- und entwicklungsphysiologische Aspekte von Stoffwechsel und Wachstum der Pflan- Zen. Gerade Pflanzen, die ja durch ihre Ortsgebundenheit oft sehr extremen, stark wechselnden Lebensbedingungen ausge- setzt sind, miissen iiber wirksame Mecha- nismen verfiigen, die ihnen eine Anpassung an die jeweilige Situation ermoglichen. Vor dem Hintergrund eines augerst komplexen

Biologie in unserer Zeit / 26. Jahrg. 1996 / Nr. 1 0 V C H Verlagsgesellschaft mbH, 69469 Weinheim, 1996 004~-20~X/96/0101-0027 $ J.00 + .25/0

Stoffwechselgeschehens leuchtet es ein, dai3 trotz der heute mit groi3em Einsatz bear- beiteten Regulationsmechanismen ein zu- sammenhangendes Bild vom komplexen Netzwerk der Regulation noch nicht vor- liegt. Das Ausloten der Reaktionsnorm der Pflanzen hat hinsichtlich ihrer Anpas- sungsfahigkeit an extreme Standorte be- ziiglich Licht, Ternperatur und Nahrstoff- versorgung Erstaunliches an den Tag ge- bracht. Zum Teil beruhen solche Anpassungsmechanismen auf genetisch be- dingten, durch Selektion erlangten Fahig- keiten (zum Beispiel C,-Pflanzen, obligate CAM-Pflanzen); zum Teil aber erlangen Pflanzen ontogenetisch durch adaptive Prozesse erst die benotigte Ausstattung (zum Beispiel Schattenpflanzen, fakultative CAM-Pflanzen).

28 Pflanzenphysiolagie

Die Ebenen der Regulation I>ic eben angcsprochcnen Anpassuiigcn des Stoffwechsels an die Uriiwcltbcdiiigungeii er- f’olgen auf dcr Ehcnc der Gcncxprcssion und bctrcffcn damit die enzyinatischc husstat- mng dcr Pflanzcnxclle. Da hierbei einc Ncu- synthcse voii Proteinen erfolgt, bczichungs- wcise vorhandcnc Proteine cincrn Ncttoabbau L ntei!iegen, kijniien Aiid crungcn i in St off - wechscl erst im Zeitrauni von Stunden erfol- gc”.

U m das laufcndc StoffwccilsclSesc~chcn je- doch auch kurzfristig, das heifit im Minutcn- bcreich, den sich fnderncicn Ucdingungcn an- passcn zu kijnncii, vcrfugt jeder Organismus ubcr Re~lat ionsmechanisnicn auf der biochcniischen Ebcnc. deren Grundlagc die kovalcntc Enzymmodifikation ist. Durch sie crlaigt dcr Organismus Stabilitit und I:lcxi- bilitft zugleich. r h es sich bcirn Stoffwcchscl- gcschehen aber nicht um einc linearc, unvei-- nvcigtc Reaktionskette handelt, sondcrn die Zwischcnprodulctc in einem kornplizicrten Netzwcrk an untcrscliicdlichen Prozcssen teilnehrncn, ist Regulation an viclen Punktcn, bcsondcrs an Vcrzweib~ngsstclleii, notwen- dig. Zwisc!ienprod,~ktc des Metabo!isxcs nehmcn hier mchr oder wcnigcr direkt I<in- fluiS auf die aktucllc Leistungsfahigkcit be- sondcrs derjenigcn Enzyinc, dic entscheidcn- de Schrittc des gcsnmten Ablaufs kataiysieren.

Sckundenschnelle Ansprcchzciten liegcn schlicfilich in1 elektropliysiologischcn Be- rcich vor, wcnn nach einer Kcizung beispicls- wcisc Ionenkanalc geschaltct werden und durch ‘rurgcranderungcn schnclle Bcweguii- gcn zustande komrnen kiinncn. Dcrartig schnclle Prozcsse scheinen in1 pflanzlichcn Lcberi abcr cher scltcn ZLI sein, da eiii dein tic- rischcn Nervcnsystcm entsprcchendcs Kciz- leitungssystcm fchlt.

Die Rolle des Lichts

Als Energielicfermt ftir dic Biorcasscprodck- tion dcr Pflanzcn ist das Licht der wichtigste Faktor. I icht spiclt auflerdem auf allcn Ebc- ncn dcr Iiegulation fur die Ptlanzc cine ent- schcidcnde Rolle. Bekannt ist beispickwcise die lichrbcdingtc ~iitwicklungsstcucruiig ubcr das PhyLoclirornsystciii. Weniger bc- kannt ist aber dic Funktion dcs I.ichts als schncll wirkcnder Steucrungsfaktor der 15- zymaktivitit, die im Mittclpunkt dieses Bci- t r a p stehen soll. Lin dicsc Wirkungsweise dcs 1,ichts auf den Stoffwcchsel der Pflanzcn cinzuordnen, sol1 sic jcdoch zunachst von

Abb. 1. Das Ferredoxin/Thioredoxin-System wahrend der oxygcnen Photosynthese. Im Licht flieflen Elektronen aus der linearcn Elektronentransportkctte uber Ferredoxin autier auf NADP auch uber die Komponenten des Ferredoxin/Thioredoxin-Systems auf die Zielenzyme i m Chloroplastcnstroma. D u r c h ebenfalls i m Licht cntstehenden Sauer- stoff oder du rch Thioredoxin (Td), welches du rch Sauerstoff oxidiert wurdc, werden diese kontinuierlich reoxidicrt.

wcitcren Einflusscn, die das Licht auf die Pflanzc hat, abgcgrenzt wcrdcn.

[>as Licht wird also cntwcder ubcr seinen Energicgehalr odcr ube: sciixn Informations- gchalt gcnutzt (Tabelle 1). In beiden Fallen mu[< cin Rezcptor vorhandcn sein, dcr in der Pflanzc dic Urnwandlung der I.ichtwcllen in biochemischc I’rozessc crmijglicht. Cbcr das Phytochromsystcm, das Cryptochrom oder zuin ’L‘cil noch \\en+ crforschte UV-Iiczcpto- rcn werdcn bcrcits gcringc Lichtrncngen als Signal wahrgcnornrnen und uber Signalkctten (second messenger, bcispielswcisc Calciumio- ncn) in Form clcktrophysiologischer (Schal- ten von Kmllen) odcr biocherruschcr (Phos- phorylierungskaskaden) Kcaktionen zuin

Rcizcrhlgsort weitcrgelcitct [4]. Dagegen wird durch das Auftrcffen von g r i i h c n In- tcnsitaten sichtbaren Lichts auf Chlorophyll- molckule in dcn Reaktionszcntrcn dcr Pho- tosystene einc Ladungsxcnnnng und daran anschlicfiend cin Elektroncnstrorn crzeugt. Diescr fiihrt einerscits zur Bildung von Kc- duktionsfquivalenteii (N ADPH + l++), ande- rerseits ubcr den Aufbau eines Protoncrigra- dienten als encrgiercichern Zwischcnzustand Z L I ~ Synthesc von biochcmischcr Energic (ATP). Bcidcs sind Voraussetzungen fiir die photosynthetischei Assinlllationsprozessc, dic in g r o k r n Ausmafi im griiiicn Gewcbc ablaufen [3]. Diese Assimilation von Kohlcn- dioxid, ahcr auch von Nitrit und Sulfat, ist ci- ncr Vielzahl von Kcplationsprozesscn untcr-

Biologie in unscrcv &it / 26. Inhrg. 1996 / Nr. 1

Photosynthese 29

worfen, welche die photosynthetischen Koh- lenstoff-, Stickstoff- und Schwefelfliisse den jeweils herrschenden Bedingungen anpassen. Ein besonders wichtiger Regulationsmecha- nismus ist dabei die Licht-Dunkel-Modulati- on chloroplastidarer Enzyme mit Hilfe des Thioredoxin-Systems.

Der Hauptschalter des Regula- tionsmechanismus

Im Zuge des photosynthetischen Elektro- nentransports von Wasser zum NADP' (li- nearer Elektronentransport) wird auch das Thioredoxin-System mit einem in der Regel schwachen, aber kontinuierlichen Elektro- nenflufi versorgt. Dazu werden ausgehend vom Ferredoxin Elektronen uber die Ferre- doxin/Thioredoxin-Reduktase auf die im Chloroplasten vorhandenen Thioredoxine ge- leitet. Diese reagieren d a m mit den eigentli- chen Zielenzymen im Stroma, welche im oxi- dierten Zustand inaktiv, im reduzierten aber E / s und E/ aktiv sind (Abbildung 1). Thoredoxine \S \SH Text). gehoren zu einer grofien Proteinfamilie, den ThioUProteindisulfid-Oxidoreduktasen phosphatase (FBPase) und Sedohepmlose- (oder Proteindisulfid-Isomerasen), und sind 1,7-Bisphosphatase (SBPase), sowie Phos- an einer Vielzahl vor allem reduktiver Prozes- phoribulokinase (PRK). Das Schliisselenzym

Abb. 2. Reversible kovalente Modifikationen von Proteinen, (a) durch Redox-Modulation, (b) durch Protein-Phosphorylierung/Dephosphorylierung. beziehungsweise E und E-(P) sind interkonvertierbare Enzymfor- men mit unterschiedlichen Eigenschaften (KM, V,,, oder Ka, siehe

SH

se in allen Organismen beteiligt [I]. Im Chlo- roplasten katalysieren sie die Reduktion (wie auch die Reoxidation, siehe unten) von Schliisselenzymen des Calvin-Zyklus [I I]. Dies sind nach heutiger Erkenntnis die NADP-abhangige Glycerinaldehyd-3-phos- phat-Dehydrogenase (NADP-GAPDH), die beiden Bisphosphatasen, Fructose-l,6-Bis-

des oxidativen Pentosephosphatwegs im Chloroplasten, die Glucose-6-phosphat-De- hydrogenase (G6PDH), wird dagegen durch Thioredoxin-vermittelte Reduktion inakti- viert. Fur den Energiestoffwechsel von Be- deumng sind weiterhin die reduktive Modifi- kation der Chloroplasten-ATP-Synthase und der NADP-abhangigen Malatdehydrogenase.

Tabelle 1. Wirkungen des Lichts auf die Pflanzen.

ProzeQ Rezep tor Weiterleitung Wirkung

Photomorphogenese Phytochrom, ,,second messenger" Genexpression CryptocIuom usw. (Ca2+ usw.) (1)

Photos ynthese Chlorophyll Elektronentransport Assidation von (El (ATP/NADPH) CO,, NO;, SO:-

Photoregulation Chlorophyll Elektronentransport kovalente Enzym- (1, E) (Fd/Td-Sys tem) modifi kation

(Regulation)

Die Nutzung des auftreffenden Lichts erfolgt vorrangig uber seinen Informationsgehalt (I) oder iiber seinen Energiegehalt (E) oder iiber beides.

Letztere ist in C,-Pflanzen als Komponente des ,,Malat-Ventils" (siehe unten) zur Einsrel- lung des ATP/NADPH-Verhaltnisses im Stroma von groger Bedeutung [6].

Die reduktiven Modifikationen, die iiber das FerredoxidThioredoxiin-System wahrend der Belichtung an diesen Enzymen erfolgen, werden jedoch durch den bei der photosyn- thetischen Wasserspalmng entstehenden Sau- erstoff und andere oxidierend wirkende Komponenten laufend oxidativ revertiert (Abbildung 1). Redoxmodulation bedeutet also nicht - wie friiher angenommen - das einmalige ,,Anschdten" der lichtaktivierten (oder ,,Abschalten" der lichtinaktivierten) Enzyme durch Reduktion zu Beginn der Be- lichtung und das ,,Abschalten" durch Reoxi- dation im Dunkeln, sondern die kontinuierli- che photosynthetische Reduktion der durch den allgegenwartigen Sauerstoff kontinuier- lich reoxidierten Zielenzyme. Damit handelt es sich, wie bei allen stoffwechselphysiologi- schen Prozessen, um Fliefigleichgewichte, in unserem Falle eines Elektronentransports iiber Ferredoxin, Thioredoxin und ein Ziel- enzym zum Sauerstoff. Diese Fliefigleichge- wichte dienen aber nicht in erster Linie dem Stoffumsatz, sondern der Regulation von En- zymaktivitaten, sie sind also Bestandteil von Regulationskaskaden (Abbildung 2a) [7-91. Damit ahnelt dieses fur den Chloroplasten ty- pische Regulationssystem der Redoxmodifi- kation dem Proteinphosphorylierngs/-de-

Biologie 2% uzserer Zeit / 26. Iahrg. 1996 / Nr. 1

30 Pflanzenpby~iologie

Biologie in unserer ZeiL / 26. Jahrg. 19% / Nr. 1

Photosynthese 31

Abb. 3. Regulationsmuster der redoxmo- dulierten Chloroplastenenzyme. Fur jedes der lichtmodulierten Enzyme (siehe Text) wurde der durch das Ferredoxin-Thioredo- xin-System und den gleichzeitig anwesen- den Sauerstoff getriebene RedoxzyMus dargestellt. Die unter physiologischen Be- dingungen im Licht aktive Form wurde durch eine griine Unterlegung hervor- gehoben. Die von ihr katalysierte Reaktion ist jeweils rechts davon aufgezeichnet. Entweder ein Substrat oder ein Pro- dukt der Reaktion wirkt als positiver (0) oder negativer (0) Effektor (violett) auf die reduktive undloder oxidative Phase des Redoxzyklus. Der Nettoeffekt im Fliefl- gleichgewicht bei Belichtung wird jeweils rechts auflen zusammengefaflt. Fur NADP-GAPDH und ATPase ist die Kon- formationsanderung, die das Enzym in die aktive Form iiberfiihrt, an der reduzierten Form schon mit geringeren Effektormen- gen zu erreichen als an der oxidierten. Der Ablauf der Riickreaktion bei der Inaktivie- rung ist in beiden Fallen noch nicht genau bekannt. y ist die y-Untereinheit der ATPase; A,B, oder A,B, gibt die Stochio- metrie der beiden sich am C-Terminus un- terscheidenden Untereinheiten sowie den Aggregationszustand wieder; GAP : Glyce- rinaldehyd-3-phosphat.

Abb. 4. Das Malat-Ventil. Reduktionsaqui- valente (NADPH) konnen in Form von Malat iiber den Malattranslokator aus den Chloroplasten transportiert werden. Im Cytosol konnen sie in NADH zuriickver- wandelt und zum Beispiel fur die Nitratre- duktion (NR) eingesetzt werden. Malat kann als Substrat fur die oxidative Phos- phorylierung in den Mitochondrien dienen und dadurch das Cytosol mit ATP (zum Beispiel fur die Saccharosesynthese) versor- gen. T : Dicarboxylat- oder Malat/Oxalace- tat-Translokator.

phosphorylierungsmechanismus, der in allen Organismen im Dienste der Kontrolle wichti- ger Stoffwechselschritte, aber auch der Si- gnaliibertragung steht (Abbildung 2b). In bei- den Fallen handelt es sich um kovalente Mo- difikationen und urn scheinbar nutzlose Zyklen ($utile cycle), die Energie kosten (ener- giereiche Elektronen oder ATP). Diese Ener- gie ist aber der Preis fur die damit ermoglich- te flexible Stoffwechselkontrolle.

Der ,,Dimmer" des Regwlations- mechanismus

Im Zusammenhang mit dem lichtgetriebenen Elektronenflufi zum Zielenzym, der beim Dunkel-Licht-Ubergang das Gleichgewicht im Redoxzyklus vom oxidierten Zustand zu- gunsten der reduzierten Form verschiebt, wirken bestimmte Stoffwechselprodukte (Metaboliten) in der Weise als Effektoren, dafi sie diese Verschiebung erleichtern oder er- schweren. Anders ausgedriickt, liefert das Licht den ,,Strom", der als Elektronenflul? den Redoxzyklus treibt, wahrend die Zwi- schenprodukte des aktuell ablaufenden Meta- bolismus eine ,,Dimmer"-Funktion besitzen. So erleichtert das Substrat Fructose-1,6-bis- phosphat (FBP) als positiver Effektor die Re- duktion der Fructose-1,6-Bisphosphatase und stellt damit einen klassischen Fall von feedforward-Regulation dar: Es handelt sich bei der Dephosphorylierung von FBP urn ei- nen der irreversiblen Schritte des Calvin-Zy- klus. Dagegen ist das Produkt der NADP-ab- hangigen Malatdehydrogenase, NADP, ein

negativer Effektor der reduktiven Aktivie- rung dieses Enzyms, so dal? sich das ,,Malat- Ventil" durch feedback-Kontrolle selbst regu- liert und der Export von zu vielen Redukti- onsaquivalenten aus dem Chloroplasten verrnieden wird (Abbildung 3).

Besonders bei rasch wechselnden Lichtver- haltnissen oder im Starklicht wird durch das ,,Malat-Ventil" eine hohe Flexibilitat des Elektronentransportprozesses in Anpassung an den Stoffwechsel erreicht (Abbildung 4). Die Phosphoribulokmase schliefllich liegt unabhiingig von der rnetabolischen Situation im Chloroplasten im Licht aktiviert vor; hier erfolgt die Feinregulation auf der Ebene der Katalyse, das heifit, die aktuelien Konzentra- tionen der Substrate und Effektoren beein- flussen direkt die Umsatzrate des aktivierten Enzyms (Abbildung 3). Auch im Fall der pla- stidaren NADP-abhangigen Glycerinalde- hyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH) stellt das Substrat der Reaktion Bisphospho- glycerat (1,3bis-PGS) gleichzeitig den positi- ven Effektor dar, der ein durch Reduktion konditioniertes Enzym aktiviert. In diesem Fall ist die dafiir erforderliche Reduktions- haf t jedoch sehr gering, so dal? das Enzym schon bei niedrigen Lichtstarken reduziert wird. Auch die reduktive Inaktivierung des Schliisselenzyms des im Dunkeln ablaufen- den plastidaren oxidativen Pentosephos- phatzyklus, der Glucose-6-phosphat-Dehy- drogenase (G6PDH), erfolgt schon bei relativ niedrigem Elektronendruck und wird aufier- dem noch durch NADPH erleichtert. Damit

Biologie zn unserer Zeit / 26. Jahrg. 1996 / N7. 1

32 Pflanzenphysiologie

ergibt sich auch fur die Dammerlichtsituation eine Hare Bevorzugung des reduktiven ge- genuber dem oxidativen Pentosephosphatzy- klus. Zugleich wird aber eine effektive Flufi- kontrolle in den photosynthetisierenden Zel- len gewahrleistet [lo].

Neben den eben geschilderten Regulations- mechanismen fiir die Aktivierung der Licht- Dunkel-modulierten Enzyme spielen noch weitere Parameter, wie beispielsweise der Wechsel des stromalen pH-Werts von 7 im DunkeIn zu S im Licht sowie Konzentra- tionsveranderungen von Metaboliten und Ionen, vor allem M e , beim ,,fine-tuning" der Enzyme mit.

Hierarchie der Elektronenakzep- toren im Chloroplasten

Die photosynthetisch energetisierten Elek- tronen gelangen auf ihrem Weg durch die Elektronentransportkette zunachst auf Ferre- doxin (Fd) und werden von dort auf verschie- dene Akzeptorsysteme verteilt (Abbildung 5). Dabei hangt der Ubergang auf bestimmte Akzeptoren vom Elektronendruck und vom Redoxpotential dieser Substanzen ab. Unter

physiologisch optimalen Bedingungen wer- den C0,-Fixierung, Sulfat- und Nitritassimi- lation sowie das Thioredoxinsystem in erster Praferenz mit Elektronen versorgt. Besteht Bedarf an einem erhohten ATP/NADPH- Verhaltnis (siehe oben), so wird der Elektro- nenflui3 gesteigert, und die uberschussigen Re- duktionsaquivalente werden uber das ,,Malat- Ventil" (Abbildung 4) ins Cytosol abgegeben. Dort konnen sie entweder wieder als Reduk-

Abb. 5. Hierarchie der Elektronenflusse ausgehend von Ferre- doxin (Fd) im Licht. Die Reaktionen lau- fen von unten nach oben mit zunehmen- dem Reduktionsgrad des Ferredoxins ab. In Klammern wurden die jeweiligen Elektro- nenakzeptoren ange- geben.

tionsmittel verwendet werden, beispielsweise fur die Nitratreduktion, oder aber in den Mitochondrien als Substrat fur die oxidative Phosphorylierung zur Synthese von ATP hhren. Erst wenn sich ein sehr hoher Elek- tronendruck aufbaut (bei NADP-Verknap- pung), kann auch molekularer Sauerstoff - al- lerdings in geringem Umfang - in der Mehler- Reaktion photosynthetisch reduziert werden. Das entstehende Superoxidanion mui3 dann

,bb. 6. Extrasequen- en und redoxaktive :ysteine der lichtmo- ulierten Enzyme. 'iolette Bereiche sind equenzbereiche, die usatzlich zu den mit icht redoxregulier- :n Isoenzymen stark omologen Bereichen ;mu) fur die Chloro- lastenenzyme ty- isch sind. In die Ledoxreaktion nach- ewiesenermaaen ivolvierte Cysteine ind durch eine sym- olische Disulfid- riicke (n) dargestellt. Jle weiteren Cys- :ine, deren Positionen benfalls ausnahmslos ei Pflanzen konser- iert sind, sind einge- eichnet.

Biologie in unserer Zeit / 26. Jahrg. 1996 / Nr. 1

Photosynthese 33

iiber Ascorbat und Glutathion entgiftet wer- den, wofiir wiederum NADPH verbraucht wird. Dadurch ist der Elektronenakzeptor NADP wieder verfiigbar. Nur unter diesen Bedingungen kann zyklischer Elektro- nentransport stattfinden, Ein weiter anstei- gender Elektronendruck fuhrt dann aber auch zu einer derart starken Erhohung des Protonengradienten zwischen Thylakoidlo- culus und Stroma, dafi riickkoppelnd Photo- system I1 gehemmt und der gesamte Elektro- nenflufi iiber die Kette von Anfang an gedros- selt wird.

Oxidation intrazellularer Prote- ine: Regulation oder Schaden?

Aus dem bisher Gesagten wird deutlich, dafi ein vom Thioredoxin-System reguliertes En- zym sowohl oxidiert (der gesamte Enzym- pool im Dunkeln) als auch reduziert (mehr oder weniger groae Anteile des Enzyrnpools im Licht) vorliegen kann, worauf letztlich die Aktivitatsanderung des gesamten Enzyms be- ruht. Dies ist sowohl vom regulatorischen, enzymologischen als auch vom strukturellen, proteinchemischen Aspekt her sehr bemer- kenswert. Wie es bei allen kovalent modifi- zierbaren Proteinen der Fall ist, besitzen auch

hier die oxidierte und die reduzierte Enzym- form unterschiedliche katalytische bezie- hungsweise regulatorische Eigenschaften. Die reversiblen Modifikationen bewirken entwe- der eine veranderte maximale Umsatzrate (V,,J des Enzyms (Beispiele: NADP-Malat- dehydrogenase, Phosphoribulokinase), eine veranderte Affinitat (KM) zum Substrat (Bei- spiele: Fructose-l,6-Bisphosphatase, Gluco- se-6-phosphat-Dehydrogenase) oder aber eine veranderte Empfindlichkeit (K,) gegen- iiber dem eigentlichen Aktivator (Beispiele: NADP-Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehy- drogenase, ATPase). Immer ergibt sich daraus eiiie veranderte Umsatzrate. Da intrazellulare Proteine in der Regel in reduzierter Form vorliegen, ist bei den redoxmodulierten En- zyrnen eher ihre Eigenschaft, unter physiolo- gischen Bedingungen oxidiert werden zu konnen, bemerkenswert als ihre Reduzierbar- keit.

Bei der experimentellen Gewinnung eines Proteinextrakts aus einem Gewebe verursacht die fast unvermeidbare Konfrontation mit Luftsauerstoff bei vielen Enzymen einen Ak- tivitatsverlust; dieser kann aber routinemaaig durch die Zugabe von Thiolen (p-Mer- captoethanol, Cystein oder Dithiothreit) zum

Extraktionsmedium vermieden oder ,,repa- riert" werden. Da die Mittelpunktsredoxpo- tentiale der nicht-redoxmodulierten Enzyme aber nicht im stark negativen Bereich liegen, reichen in der Zelle die natiirlichen Schutzsy- steme (Glutathion) in der Regel aus, um den reduzierten Zustand zu gewahrleisten. Bei diesen Enzymen kann also eine Veranderung des Redoxzustands und eine damit etwa ver- bundene Aktivitatsanderung nicht im Dienste der natiirlichen Regulation stehen. Dies ist anders im Falle der durch Thioredoxin regu- lierten Enzyme, deren Mittelpunktspotentiale im stark negativen Bereich liegen. Sie konnen einerseits nur durch starke, ausschliealich im Licht zur Verfugung stehende Reduktions- mittel (das iiber reduziertes Ferredoxin redu- zierte Thioredoxin, Abbildung 1) reduziert werden und sind andererseits in Gegenwart des in der oxygenen Photosynthese entste- henden Sauerstoffs aufgrund ihrer ,,exponier- ten" Thiolgruppen sehr leicht oxidabel.

Evolution der Redoxmodulation

Schliefilich mufi noch die Frage nach den strukturellen Besonderheiten der lichtrnodu- lierten Enzyme diskutiert werden. Da ent- sprechende Enzyme in anderen Komparti- menten der pflanzlichen Zelle oder in ande- ren Organismen als nicht-modulierbare Gegenstiicke (Isoenzyme) vorkornrnen, liegt es nahe, anhand der Primarstruktur nach den fur die Lichtregulation verantwortlichen Be- reichen in der Aminosauresequenz zu su- chen. Trotz sehr hoher Ahnlichkeiten zu ihren nicht-regulierten Gegenstiicken finden sich zumindest in mehreren Fallen zusatzli- che Sequenzbereiche, die Cysteinreste enthal- ten. Es ist daher naheliegend, diese Extra- sequenzen mit der Regulierbarkeit durch Redoxwechsel in Verbindung zu bringen. Im Fall der NADP-Malatdehydrogenase (NADP-MDH) und der ATPase-y-Unterein- heit konnte die Beteiligung dieser Cysteinre- ste als Dithiol oder Disulfid an der Redoxmo- dulation auch schon experimentell bewiesen werden. In der Mehrzahl der Falle steht dieser Nachweis jedoch noch aus, oder es wurden gegeniiber dem nicht-regulierten Isoenzym iiberhaupt keine Extra-Sequenzen gefunden (Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase, Phos- phoribulokinase, SBPase). Auch ist noch of- fen, ob in jedem Fall die in Abbildung 6 wie- dergegebene intramolekulare Disulfidbriicke entsteht oder ob die oxidative Modifikation durch eine Disulfidverbindung mit einem an- deren SH-Gruppen tragenden Molekul, wie Glutathion, zustande kommt.

Biologie in unserer Zeit / 26. Jahrg. 1996 / Nr. 1

34 Pflanzenphysiologie

Cyanobakterien sind wohl die evolutionar a1 teste Organismengruppe, die oxygene Photo- synthese betreiben kann. Erwartungsgemd trifft man auch bei diesen schon redoxmodu- lierte Enzyme an. Die Enzyme des Calvin- ZyMus NADP-GAPDH, FBPase, SBPase und PRK werden reduktiv aktiviert, Gluco- se-6-phosphat-Dehydrogenase wird im Licht oder unter anaeroben Bedingungen inakti- viert. Die NADP-Malatdehydrogenase-Akti- vitat dieser Organismen dagegen weist noch keine Anzeichen von Redoxmodulierbarkeit auf. Ihre Zellen bestehen ja in der Regel auch nur aus einem Kompartiment, so d d ein ,,Malat-Ventil" noch keinen Selektionsvorteil brachte. Organismen, die anoxygene Photo synthese betreiben, wie die Purpurbakterien, besitzen ebenfalls entsprechende modulierba- re Enzymaktivitaten fur die C-Assimilation (FBPase, PRK), die (da die Riickreaktion iiber Luftsauerstoff fehlt) jedoch iiber Stoff- wechselmetabolite allosterisch reguliert wer den [5,2].

Die Lichtabhangigkeit der ,,Dun- kelreaktion" der Photosynthese In vielen Lehrbiichern wird der Prozei3 der Photosynthese noch immer in zwei Teilreak- tionen, der ,,Lichtreaktion" und der ,,Dun- kelreaktion", beschrieben. Als Lichtreaktion werden die Vorgange in den Thylakoiden be- zeichnet, also die Umwandlung der Licht- energie und die Synthese von ATP und NADPH. Ihr werden die im Stroma ablau- fenden Prozesse der C0,-Assimilation ge- geniibergestellt. Dort werden die Produkte der Lichtreaktion ohne die direkte Beteili- gung des Lichts zur Reduktion der hochoxi- dierten anorganischen Substrate eingesetzt.

Wie aber in diesem Beitrag gezeigt wurde, miissen die (irreversiblen) Schliisselschritte der stromalen Stoffwechselwege mit Hilfe des Thioredoxin-Systems erst aktiviert werden. Der lichtgetriebene Redoxzyklus, dem die entsprechenden Enzyme unterworfen sind, benotigt eine kontinuierliche Belichtung.

Dieses Beispiel zeigt in iiberzeugender Weise, dai3 es Stoffwechselwege ohne Kontrolle in der Realitat nicht gibt. Die in den Lehr- biichern dargestellten Reaktionszusammen- hange stellen also didaktische Reduktionen dar, die kein richtiges Bild vom wirklichen Geschehen zeichnen. Ebenso zeigt unser Bei- spiel, dai3 der Begriff der ,,Dunkelreaktion" im Photosynthesegeschehen fehl am Platze ist.

Literatur

(Es handelt sich lediglich um Ubersichtsarti- kel zum Thema; Originalzitate finden sich dort).

[l] B.B. Buchanan, P. Schiirmann, P. Decot- tignies, R.M. Lozano (1994) Thoredoxin: A multifunctional regulatory protein with a bright future in technology and medicine. Arch. Biochem. Biophys. 314,257-260.

[2] N.A. Crawford, C.W. Sutton, B.C. Yee, T.C. Johnson, D.C. Carlson, B.B. Buchanan (1984) Contrasting modes of photosynthetic enzyme regulation in oxygenic and anoxyge- nic prokaryotes. Arch. Microbiol. 139, 124-129.

[3] H.W. Heldt, U.I. Fliigge, M. Stitt (1986) Kohlenhydratstoffwechsel der pflanzlichen Photosynthese. BIUZ 16,97-105.

[4] B. Hock (1994) Phytochrome. Progr. Bo- tany 56,201-235.

[5] B.A. McFadden, J.M. Shively (1991) Bac- terial assimilation of carbon dioxide by the Calvin cycle. In: J.M. Shively, L.L. Barton (Hrsg.): Variations in Autotrophic Life, Aca- demic Press, London, 25-49.

[6] R. Scheibe (1987) NADP'-malate dehy- drogenase in C,-plants: Regulation and role of a light-activated enzyme. Physiol. Plant. 71,393400,

[7] R. Scheibe (1990) Light/dark modulation: Regulation of chloroplast enzymes in a new light. Bot. Acta 103,327-334.

[8] R. Scheibe (1991) Redox-modulation of chloroplast enzymes. A common principle for individual control. Plant Physiol. 96,l-3.

[9] R. Scheibe (1994) Lichtregulation von Chloroplastenenzymen. Naturwissenschaften 81,443448.

[lo] R. Scheibe, E. Beck (1994) The malate valve: Flux control at the enzymatic level. In: E.D. Schulze (Hrsg.): Flux Control in Biolo- gical Systems, Academic Press, London, 3-1 1.

[11] R.A. Wolosiuk, M.A. Ballicora, K. Hage- lin (1993) The reductive pentose phosphate cycle for photosynthetic CO, assimilation: Enzyme modulation. Faseb J. 7,622437.

Danksagung

Hier besprochene eigene Arbeiten wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefordert.

Regulation of photosynthesis by light

Light provides the energy for photosynthesis, but simultaneously controls metabolic and developmental processes of plants. Balance of the activities of Calvin cycle enzymes and ad- justment to the present physiological condi- tions is achieved through the ferredoxid thioredoxin system of the chloroplast. The biochemical mechanism of this control con- sists of thioredoxin-mediated thiol-disulfide modifications of the target enzyme proteins which are driven by the two products of the photosynthetic light reaction: reducing pow- er on the one hand and oxygen on the other.

Renate Scheibe, geb. 1949, Studium der Pharmazie an der Uni- versitat Miinchen (1968-1973), 1973 Ap- probation als Apothe- kerin, Anfertigung der Dissertation am Bota- nischen Institut der Universitat Miinchen, 1978 Promotion am

Lehrstuhl fur Pflanzenphysiologie der Uni- versitat Bayreuth. 1979/80 Postdoc-Aufent- halt an der University of Illinois in Chicago, danach Wissenschaftliche Assistentin und Oberassistentin am Lehrstuhl fur Pflanzen- physiologie der Universitat Bayreuth (1976-1990), 1984 Habilitation fur das Fach Botanik. Seit 1990 Inhaberin des Lehrstuhls fur Pflanzenphysiologie an der Universitat Osnabriick.

Prof. Dr. R. Scheibe, Pflanzenphysiologie, Fachbereich Biologie/Chemie, Universitat Osnabriick, D-49069 Osnabriick.

Biologie in unserer Zeit / 26. Jahrg. 1996 / Nr. 1