Arbeitsbereich Priv.Doz.Dr.Rainer Eising - Kristalloide Einschlüsse pflanzlicher Peroxisomen

In den Peroxisomen pflanzlicher Zellen finden wichtige Reaktionen des Stoffwechsels statt, wie z.B. die Schlüsselreaktionen beim Umbau von Speicherfett in Kohlenhydrate, die Oxidation von Fettsäuren und der Abbau von Glykolat, einem Nebenprodukt der Photosynthese. Peroxisomen in pflanzlichen Zellen enthalten häufig einen kristalloiden Einschluß (Core), dessen stoffliche Zusammensetzung, Funktion und Biogenese in der Arbeitsgruppe untersucht wird.

Nach der Entwicklung eines Isolierungsverfahrens für die peroxisomalen Einschlüsse aus Sonnnenblumen-Keimblättern konnte erstmals gezeigt werden, dass diese Cores als Hauptkomponente eine spezifische Variante des peroxisomalen Enzyms Katalase enthalten und vermutlich aus diesem Enzym durch Kristallisation entstehen. Die Core-Katalase wurde so weit aufgereinigt, dass über Massenspektrometrie Teile der Aminosäuresequenz bestimmt werden konnten. Mit Hilfe daraus abgeleiteter DNA-Sequenzen wurden zwei cDNA-Klone gewonnen, die sich deutlich in der Nukleotidsequenz und der daraus abgeleiteten Amninosäuresequenz von der Matrix-Katalase unterscheiden. Die weitgehende Übereinstimmung der abgeleiteten Aminosäuresequenzen mit den über Massenspektrometrie ermittelten Teilsequenzen sprechen dafür, dass es sich um cDNA-Klone der Core-Katalase handelt. Über eine Expression der cDNAs in Hefezellen soll diese Identität der gewonnenen Klone überprüft werden. Ein solches Expressionssystem bietet auch die Möglichkeit, die Kristallisation der Core-Katalase in einem heterologen System zu prüfen und so erste Aufschlüsse über die Bildung peroxisomaler Cores in vivo zu erhalten.

Mit Hilfe der hochauflösenden Rasterelektronenmikroskopie wurden erstmals die Oberflächenstrukturen pflanzlicher Cores dargestellt. Die im Extremfall 800x800nm messenden Flächen der insgesamt würfel- oder quaderförmigen Cores aus der Sonnenblume sind aus periodisch angeordneten quadratischen Units von etwa 20 nm Kantenlänge zusammengesetzt. Vermutlich sind 8 Katalase-Tetramere an der Bildung einer Unit beteiligt. Innerhalb dieser Struktur ist die Katalase enzymatisch aktiv, und es findet offensichtlich eine ungehinderte Diffusion des Substrates Wasserstoffperoxid zum Enzym im Coreverband statt.

Die Biogenese der Core-Katalase wird in Sonnenblumen-Keimblättern auf transkriptioneller Ebene reguliert, die Synthese erreicht mit dem Ergrünen der Keimblätter ihr Maximum. Diese genetische Regulation und die unveränderte enzymatische Aktivität der Katalase im Coreverband sprechen deutlich gegen die bisher übliche Vorstellung, dass Cores nur ein Depot für überschüssige Katalase darstellen. Vielmehr ist davon auszugehen, dass Cores eine aktive Rolle beim Abbau von Wasserstoffperoxid in pflanzlichen Peroxisomen spielen.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft

Beteiligte Wissenschaftler:

Dipl.Biol. D. Desch, Priv.Doz.Dr. R. Eising, Priv.Doz.Dr. N. Grotjohann (Universität Bielefeld), Dipl.Biol M. Heinze, Dr. S. Kleff (Universität Witten-Herdecke), Prof.Dr. H.E. Meyer (Institut für physiologische Chemie, Ruhr-Universität Bochum), Prof.Dr. R. Reichelt (Institut für Medizinische Physik undBiophysik WWU), Hdoz.Dr. K. Tenberge

Veröffentlichungen:

Tenberge, K.B., C. Ruholl, M. Heinze, R. Eising: Purification and immuno-electron microscopical characterization of crystalline inclusions from plant peroxisomes. Protoplasma 196, 142-154, 1997

Kleff, S., S. Saner, G. Mielke, R. Eising: The predominant protein in peroxisomal cores of sunflower cotyledons is a catalase differing in primary structure from catalase in the peroxisomal matrix. European Journal of Biochemistry 245, 402-410, 1997

Grotjohann, N., A. Janning, R. Eising: In vitro photoinactivation of catalase isoforms from cotyledons of sunflower (Helianthus annuus). Archieves Biochemistry and Biophysics 346, 208-218, 1997

Eising, R., M. Heinze, S. Kleff, K.B. Tenberge: Subcellular distribution and photooxidation of catalase in sunflower. In: G. Noga, M. Schmitz (eds.), Antioxidants in Higher Plants: Prooperties, Actions and Functions. Proceedings of the International Workshop on Antioxidants in Higher Plants, Ravensburg 1997. Günter Heimbach, Ostfildern, im Druck