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Schwermetalle und Pflanzen - eine komplizierte Beziehung (I)
S h ll kk l i i ildSchwermetall-Hyperakkumulation im Wilden Westenmodified from:
Vorlesung von Hendrik Küpper im Kompaktkurs Pflanzenphysiologie 2010
Schwermetall-Mangel als globales Problem der Landwirtschaft
grün = moderater Zinkmangel; rot = starker Zinkmangel
Aus: Alloway BJ. 2001. Zinc the vital micronutrient for healthy, high-value crops. Brussels, Belgium: International Zinc Association.
Die Dosis macht das Gift - auch bei Schwermetallen!
Metalle in photosynthetischen Proteinen
FNRFe3+/2+FNR
P700*
Mg2+
A0, A1
Antenna Chl-protein Fd
FxFA, FB
P700*
P680*QA
4 h·ν
Chl-protein complexes,
main protein:LHCII
FdPhe
PQFe
QB
ChlChlChl
LHCII4 h·νcyt b559,cyt c
PQ
electron transport
B Cyt b6/fcomplex
EETChl
excitationChl
ChlChl cyt c550 PC
p
P700
P680
excitation energy transfer Ca2+ Cu+/2+
2 H2O O2 + 4 H+WSC 4 e-
Ca Cu /2
Mn3+/4+
Mechanismen der Metal-Aufnahme in Pflanzen:Aufnahme in die Wurzel und intrazelluläre Verteilungg
Beispiel: Eisen- un Zink-Aufnahem in Brassicaceae
root uptake
intracellularintracellular distribution
From: Colangelo EP, Guerinot ML, 2006, CurrOpinPlantBiol9:322-330
4 Hauptfamilien von Schwermetall-Transportproteinen: P1B-typ ATPasen (im Menschen z.B. Menkes- und Wilson-Protein!) Cation diffusion facilitators (CDF-transporter) Cation diffusion facilitators (CDF-transporter) ZRT-/IRT-like proteins (ZIP-Transporter) Natural resistance associated Macrophage proteins (Nramp-Transporter)
Mechanismen der Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (I)CPx-typ (=P1B-typ) ATPasenCPx-typ (=P1B-typ) ATPasen
Aufgrund von Expressionsstudien vermutete Funktionen
Translokation in das Wurzelxylem, d.h. aus den Zellen heraus ( z.B. HMA4) Xylementladung im Sproß Xylementladung im Sproß Intrazelluläre Metal-Sequestrierung
z.B. in der Vakuole (vermutet!) Transport in die Chloroplasten in den Transport in die Chloroplasten, in den
Chloroplasten in die Thylakoide Transport in den Golgi-Apparat
From: Williams LE, Mills RF, 2005, TrendsPlantSci10, 491-502From: Argüello JM et al., 2007, Biometals,
DOI 10.1007/s10534-006-9055-6
Mechanismen der Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (I)CPx-typ (=P1B-typ) ATPasenCPx-typ (=P1B-typ) ATPasen
From: Williams LE, Mills RF, 20052005,
TrendsPlantSci 10,491-502
Sequenz-Charakteristika Vorhergesagte Struktur(Nur A P und N Domäne kristallisiert von bakteriellen Proteinen)(Nur A, P, und N-Domäne kristallisiert von bakteriellen Proteinen)
CPx-Motiv in der 6ten vorhergesagten Transmembranhelix ( Name!) Variable Anzahl von Transmembranhelices EXTREM VIELE Hi tidi d C t i i d S ( B 58 C i T HMA4) EXTREM VIELE Histidine und Cysteine in der Sequenz ( z.B. 58 Cys in TcHMA4) Vermutliche Metallbindestelle am N-Terminus (im Cytoplasma?) Histidin-Wiederholung at C-terminus (im Cytoplasma?)
Mechanismen der Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (II)ZIP-TransporterZIP-Transporter
Wahrscheinliche Funktionen (angede tet d rch E pressionsst dien)(angedeutet durch Expressionsstudien)
• Aufnahme von Metallen in Zellen über die Cytoplasmamembran
From:Guerinot ML 2000 BBA 1465 190 8
• Kommen in allen Eukaryoten vor
From:Guerinot ML, 2000, BBA 1465, 190-8
Struktur vorhergesagt aus der Sequenz• meist 8 Transmembranhelices, eine lange variable
Region der Vorhersage zufolge im CytoplasmaRegion, der Vorhersage zufolge im Cytoplasma• 309-476 Aminosäuren
Aus Hefe-Expressionsstudien ermittelte Charakteristika
• Hohe Affinität und sättigbare Kinetik für selektiertes Metall (z.B. Zn in ZNT1)
• Weniger hohe Affinität für verwandte andereWeniger hohe Affinität für verwandte andere Metalle (z.B. Cd in ZNT1)
From:Pence NS et al., 2000, PNAS 97, 4956-60
Mechanismen d. Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (III)Natural resistance associated macrophage proteins (Nramps) atu a es sta ce assoc ated ac op age p ote s ( a ps)
Vermutliche Funktionen (aus Expressionsstudien geschlossen)
Wurden entdeckt in der Immunantwort von Tieren ( Name!) V h d i ll E k t i l d Vorhanden in allen Eukaryoten, incl. des
Menschen, Pflanzen und Pilzen Spielen vermutlich eine Rolle bei der
Metallaufnahme in die Zellen und auch bei der Metallverteilung innerhalb der Zellen.
From: Nevo Y, Nelson N, 2006, BBA 1763, 609-620
Mechanismen d. Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (III)Natural resistance associated macrophage proteins (Nramps) atu a es sta ce assoc ated ac op age p ote s ( a ps)
Vermutlicher Mechanismus
Protonen-Symport mit dem elektrochemischen Gradienten treibt die Metall Translokationtreibt die Metall-Translokation gegen den Gradienten – umstritten, andere Studien schlagen Protonen-Metall Antiport vor... Metallbindung induziert die
Protonenbindung
From: Nevo Y, Nelson N, 2006, BBA 1763, 609-620
g
, , , ,
Mechanismen d. Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (IV)cation diffusion facilitator (CDF)-Transportercation diffusion facilitator (CDF)-Transporter
From: Kobae et al., 2004, PlantCellPhysiol 45, 1749-58
From: Blaudez D et al., 2003, PlantCell 15, 2911-28
Funktionen geschlossen aus Expressionsstudien (LokalisationFunktionen geschlossen aus Expressionsstudien (Lokalisation und Überexpressions/Knockout-Phänotypen)
Metall-Entgiftung Einlagerung der Metalle in intrazelleluläre Kompartimente (v.a. Vakuole)
Mechanismen d. Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (IV)cation diffusion facilitator (CDF)-Transportercation diffusion facilitator (CDF)-Transporter
From: Kobae et al., 2004,
PlantCellPhysiol 45PlantCellPhysiol 45, 1749-58
Sequenz-Charakteristika vorhergesagte Struktur VIELE Histidine 6 Transmembranhelices Vermutliche Metallbindedomäne am N-Terminus (im Cytoplasma?)Wahrscheinliche Metallbindende Histidin-Wiederholung im “Loop” (im Cytoplasma?)
Cadmium
Cadmium als Pflanzen-Nährstoff in Thalassiosira weissflogii. A, B: Wachstum der Algen. (Lane and Morel, 2000, PNAS97)
Carboanhydrase von Thalassioria weissflogii:Ein Enzym mit Cadmium im aktiven ZentrumEin Enzym mit Cadmium im aktiven Zentrum
EXAFS-Spektrum der isolierten Cadmium-Carboanhydrase (Lane et al., 2005, Nature Vol. 435)
Größe der Cadmium-Carboanhydrase im Vergleich zur normalen Zn-Carboanhydrase (Lane and Morel, 2000, PNAS Vol. 97) )( , , )
Eigenschaften und StrukturEigenschaften und Struktur der Cd-Carboanhydrase(Xu et al., 2008, Nature 452, pp 56-61)( , , , pp )
• Cd-CA kann sowohl Cd als auch Zn binden. Aktivität mit Zn etwas höher, aber Aktivität mit Cd viel höher als bei gewöhnlichen Zn-Carboanhydrasen.
•Cd-CA hat 7 α-Helices und 9 β-Faltblätter, Cd am unteren Ende einer trichterförmigen Substrat-Bindetasche
Cd2+ is über drei konservierte Aminosäurereste gebunden: 2x Cystein und 1x Histidin•Cd2+ is über drei konservierte Aminosäurereste gebunden: 2x Cystein und 1x Histidin, dazu 1x Wasser gebunden ( tetraedrische Koordination). Weitere fixierte Wassermoleküle in der Nähe
Cadmium-Mangel im Cd/Zn-hyperaccumulatorThlaspi caerulescensp
Mit 10 µM Cadmium in der Nährlösung Ohne Cadmium in der Nährlösungµ g--> gesunde Pflanzen
g--> Schaden durch Insektenbefall
Küpper H, Kroneck PMH (2004) MIBS 44 (Sigel et al., eds), chapter 5
Eisen
Eisen an der Ozeanoberfläche (oben) und in 1000m Tiefe ( )(unten)
Von: www-paoc.mit.edu
Mechanismen der Eisenaufnahme in Pflanzen:Strategien der EiseneffizienzStrategien der Eiseneffizienz
NicotianaminNicotianamin
Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Eisen im aktiven Zentrumaktiven Zentrum
Katalase SOD
Cytochrom cCytb6f
Biochemie von Eisen in Eisenzymen
Häm
Von: dasher wustl edu
Wichtige Typen von Eisen-
Von: dasher.wustl.edu
Schwefel-Clustern
Von: www.chem.ox.ac.uk
Eisen-Schwefel-Cluster im PSIRZ
Funktion des PSIRZ: P i ä L d t Primäre Ladungstrennung:
“special pair” (=P700, Chl a / Chl a’ heterodimer), entässt e- zu A0 via A (beide Chl a)
-580 mV
e- Transport via A1 (phylloquinon) und die [4Fe4S]-Cluster Fx, FA und FB zum [4Fe4S]-Cluster des Ferredoxins -705 mV
-520 mV
P700 wird Re-reduziert durch Plastocyanin-800 mV
-1000 mV
+430 mV
From: Nelson N, Yocum CF, 2006, AnnRevPlantBiol 57, 521-65
Symptome und Wirkungsmechanismen von Eisenmangel
Von: Cannabis World. http://www.overgrow.com
Kupfer
Allgemeines zu KupferAllgemeines zu Kupfer
Kupfer als essentieller Pflanzen-Nährstoff
Metallothioneins: storage and transport proteins
From: Prohaska JR, Gybina AA, 2004,
JNutrition134, 1003-6
• MTs of type I und II bind Cu+ with high affinity and seem to be involved in its detoxification.
• BUT: Main role of MTs in plants seems to be M t l di t ib ti d i th l (Metal-distribution during the normal (non-stressed) metabolism, while in animals they are more involved in detoxification and also (mainly?) bind Zn2+
Intrazellulärer Kupfertransport
Charakterisierung Cu wird intrazellulär unter normalen (nicht-toxischen) Bedingungen so effizient von
From: OHalloran TV, Culotta VC, 2000, JBC275, 25057-60
Cu wird intrazellulär unter normalen (nicht toxischen) Bedingungen so effizient von “Chaperonen” übernommen und in die Zielproteine geleitet, dass es fast kein “freies” (=nicht an spezifische Liganden sondern nur Wasser gebundenes) Kupfer in der Zelle gibtZelle gibt.
Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Kupfer im aktiven Zentrum
• Plastocyanin
•Multi-Kupfer-Oxidasen, z.B. Laccasen
Symptome und Wirkungsmechanismen von Kupfermangel
http://www.nrs.mcgill.ca/whalen/nutrient/copper/copper.html
Nickel
Allgemeines zu NickelAllgemeines zu Nickel
Nickel als essentieller Pflanzen-Nährstoff
Urease: Ein Enzym mit Nickel im aktiven Zentrum
Nickelmangel in Ni-Hyperakkumulatoren
(a)14 Thlaspi goesingense
Alyssum bertolonii
(b)30000
Thlaspi goesingense
ight
(g)
8
10
12 Alyssum bertoloniiAlyssum lesbiacum
on (µ
g g-1
)
20000
25000Thlaspi goesingenseAlyssum bertoloniiAlyssum lesbiacum
hoot
dry
we
4
6
8
conc
entra
tio
10000
15000
Sh
0
2
4
Ni c
0
5000
Ni added to the substrate (mg kg-1)
0 1000 2000 3000 4000
Ni added to the substrate (mg kg-1)
0 1000 2000 3000 4000
Alyssum lesbiacum
Küpper H, Lombi E, Zhao FJ, Wieshammer G, McGrath SP (2001) J Exp Bot 52 (365), 2291-2300
Zink
Allgemeines zu Zink
Zink als essentieller Pflanzen-Nährstoff
Zinkeffizienz
Aus: Hacisalihoglu G, Kochian, LV.How do some plants tolerate low levels of soil zinc? M h i f i ffi i i l tMechanisms of zinc efficiency in crop plants.
New Phytologist 159 (2), 341-350.
Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Zink im aktiven ZentrumZentrum
Carboanhydrase
Zinkfinger-Motiv
Tyrosin-Phosphatase
Alle Folien meiner Vorlesungen im Internet unter
http://www.uni-konstanz.de/FuF/Bio/kuepper/Homepage/AG_Kuepper_education.html
(auch zu finden über Homepage der Biologie Arbeitsgruppen Küpper)
weiterführende Literatur als pdf auf Anfrage