Funktionelle Organisation von photosyntehtischen Membranen

Die primären Reaktionen der Photosynthese in höheren Pflanzen sind in den Thylakoiden der Chloroplasten lokalisiert. Thylakoide sind, gestapelte Membransysteme mit hoher Dichte an Membran-Proteinkomplexen, in denen Sonnenlicht aufgefangen und photochemisch umgewandelt wird. In neuerer Zeit wurde die molekulare Struktur der verschiedenen Membrankomplexe aufgeklärt. Gegenstand unserer Untersuchungen ist die laterale Organisation dieser Komplexe in der Thylakoidmembran. Basierend auf der quantitativen Analyse der Membrankomponenten (Lipide und Proteine) und funktioneller "Kontrollanalysen" (biochemische und spektroskopische Methoden) wurde ein Strukturmodell entwickelt, wonach in den "grana stacks" der Thylakoide Photosystem II, Lichtsammelkomplexe und Cytochrom bf Komplexe in Form kleiner funktioneller "Mikrodomänen" organisiert sind. Diese Mikrodomänen werden durch spezifische Interaktionen zwischen Photosystem II und Lichtsammelkomplexen stabilisiert. Aufgrund dieser Organisation bleibt die Diffusion beweglicher Elektronencarrier (Plastochinon) auf kleine Membranbereiche beschränkt. Nach Entzug von Magnesiumionen löst sich diese Struktur auf und die Anordnung der Membrankomplexe wird randomisiert. Die Domänenorganisation dient der Kontrolle hoher Photosyntheseflüsse in starkem Licht und verhindert schädliche photodynamische Seitenreaktionen. Hierzu wurden Untersuchungen an transgegen Tabakpflanzen mit veränderter Elektronentransportkette (FNR-Antisens; Zusammenarbeit Institut für Pflanzenzüchtung, Gatersleben) duirchgeführt. Die Untersuchungen werden durch computergestützte Simulationen des Elektronentransportes unterstützt (I. Tremmel; Kooperation mit G. Farquar). Zukünftig wird in einem eigenständigen Projekt (H. Kirchhoff) die Bedeutung der Lipidphase für die Dömänenbildung untersucht. Untersuchungen zur Selbstorganisation von Lichtsammelkomplexen in künstlichen, gespreitzten Lipidmembranen mittels Nahfeldmikroskopie wurden bereits begonnen (Kooperation mit H. Galla und A. Naber).

Beteiligte Wissenschaftler:

Prof.Dr. Engelbert Weis (Leiter), Dr. Helmut Kirchhoff (Co-Leiter), Dip. Biol. Marius Spittel (Doktorand), Dip. Biol. & Dipl. Phys. Ira Tremmel (Doktorandin), Prof. Dr. G. Farquar (RSBS, Canberra, Australien), Prof. Dr. H.J. Galla (Institut für Biochemie, WWU), Dr. Andreas Naber (Physikalisches Instiutut WWU)

Veröffentlichungen:

H. Kirchhoff, S. Horstmann, E. Weis: Control of the photosynthhetic electron transport by PQ diffusion microdomains in thylakoids of higher plants: BBA 1459 (2000) 148-168