Forschungsbericht 1995-96
	Institut für Botanik und Botanischer Garten Schloßgarten 3 48149 Münster Tel. (0251) 83 - 2 38 10 Fax (0251) 83 - 2 38 23 Geschf. Direktor: Prof. Dr. B. Gerhardt

Forschungsschwerpunkte 1995 - 1996 Fachbereich 18 - Biologie Institut für Botanik und Botanischer Garten Arbeitsbereich Prof. Dr. B. Gerhardt

Kristalloide Einschlüsse pflanzlicher Peroxisomen

Peroxisomen pflanzlicher Zellen sind membranumschlossene Kompartimente mit variablen Aufgaben im zellulären Stoffwechsel. Sie können in der Regel den oxidativen Abbau von Fettsäuren betreiben, aber auch an der Photorespiration oder an der Umwandlung von Fetten in Kohlenhydrate beteiligt sein. Neben der Membran und der von ihr umschlossenen Matrix enthalten Peroxisomen in vielen Pflanzenspezies und -organen als drittes Subkompartiment einen kristalloiden Einschluß (auch Core genannt). Ziel unserer Arbeiten ist die Aufklärung der stofflichen Zusammensetzung und strukturellen Organisation, sowie der Biogenese und physiologischen Funktion dieser Cores.

Hauptkomponente der Cores in Sonnenblumen-Keimblättern ist eine spezielle Variante des Enzyms Katalase, die sich von der Katalase in der Matrix in ihrer Aminosäuresequenz unterscheidet. Katalasen setzen das Zellgift Wasserstoffperoxid in Wasser und molekularen Sauerstoff um. Transmissions-elektronenmikroskopische und biochemische Untersuchungen an gereinigten Cores haben gezeigt, daß Katalase selbst die kristalline Struktur der Cores bildet. Zwischenräume von etwa 5 Nanometer Durchmesser ermöglichen die Diffusion von Molekülen etwa bis zu mittelgroßen Proteinen. Wie aus raster-elektronenmikroskopischen Untersuchungen hervorgeht, besitzen isolierte Sonnenblumen-Cores eine quadratische Grundfläche von 300 bis 500 Nanometer Kantenlänge und eine Höhe von 100 bis 200 Nanometer. Cores aus der Kartoffelknolle erscheinen größer und besitzen eine andere Feinstruktur, sind aber ebenfalls aus Katalase aufgebaut.

Die Biogenese der Cores in Sonnenblumen-Keimblättern ist genetisch reguliert. Die messenger RNA für den coreständigen Katalasetyp erscheint in der Keimblattentwicklung erst kurz vor den ersten Cores. Vermutlich wird die Katalase nach der Synthese im Cytosol unmittelbar nach oder sogar im Zuge ihres Transportes durch die Peroxisomenmembran zur Bildung der Corestruktur genutzt. Bei der Corebildung wird die in diesem Zeitraum ebenfalls synthetisierte Matrixkatalase durch einen unbekannten Mechanismus selektiv ausgeschlossen. Die im Core integrierte Katalase ist ein hämhaltiges Tetramer und besitzt damit die für pflanzliche Katalasen übliche Struktur.

Erste Hinweise auf eine physiologische Funktion der Cores ergeben sich aus biochemischen Untersuchungen an gereinigter Corekatalase. Sie ist resistenter gegenüber abiotischen Faktoren (z.B. Temperatur und Licht) als die, insbesondere sehr photosensitive, Matrixkatalase. Außerdem unterliegt sie in vivo einem deutlich geringeren Abbau als die Matrixkatalase. Da die Corekatalase auch innerhalb des Coreverbandes enzymatisch aktiv ist, ergibt sich die Vorstellung, daß sie eine Minimalaktivität an Katalase sicherstellt, bei deren Unterschreitung es in der Zelle zu Schädigungen durch Wasserstoffperoxid kommen könnte.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft

Beteiligte Wissenschaftler:

Dipl.-Biol. H. Berheide, C. Dolleck, Hochschuldozent Dr. R. Eising (Leiter), Privat-Dozent Dr. N. Grotjohann (Universität Bielefeld), Dr. R. Harris (Universität Mainz), T. Heck, Dipl.-Biol. M. Heinze, Dr. S. Kleff, G. Mielke, Prof. Dr. R. Reichelt (Inst. für Medizinische Physik und Biophysik WWU), S. Sander, Dr. K. Strupat (Inst. für Medizinische Physik und Biophysik WWU), Dr. K.B. Tenberge, Dipl.-Biol. J. Wellmann

Veröffentlichungen:

Eising, R., S. Kleff, C. Ruholl, K.B. Tenberge: Turnover of catalase in sunflower cotyledons. In: P.D.S. Caligari & D.J.N. Hind (eds.) Compositae: Biology & Utilization. Proceedings of the International Compositae Conference, Kew, 1994, Vol. 2, pp. 45-60. Royal Botanic Gardens, Kew, 1996

Tenberge, K.B., R. Eising: Immunogold labelling indicates high catalase concentrations in amorphous and crystalline inclusions of sunflower (Helianthus annuus L.) peroxisomes. The Histochemical Journal 27: 184-195, 1995