StickstoffStickstoff--FixierungFixierungundund Regulation Regulation derder PhotosynthesePhotosynthese

ffüürr die die StickstoffStickstoff--FixierungFixierung

Teil Teil I: I: StickstoffStickstoff--FixierungFixierung

Stickstoff-Kreislauf (I)

von: www.esf.edu/efb/schulz/limnology/nitrogen.html

combustion, Haber-Bosch

Stickstoff-Kreislauf (II): biologische Prozesse

von: oceanography.geol.ucsb.edu

Anammox

NO3-

NO

N2O

N2

NH3

H2NOH

NO2-

NitritNitrit--OxidaseOxidase NitratNitrat--ReduktaseReduktase

Stickstoff-Kreislauf (III): an biologischen Prozessen beteiligte Verbindungen

An biologischer N-Fixierung beteiligte Organismen

Anabaena TrichodesmiumRhizobienAzolla

AzotobacterGloeothece

N2 + 8H+ + 16 MgATP + 8e-

2NH3 + H2 + 16 MgADP + 16 Pi

Summengleichung der biologischen Stickstoff-Fixierung

Mechanismus der biologischen Stickstoff-FixierungNitrogenase von Cyanobakterien

Das Fe-Protein

Nitrogenase: P-Cluster

Nitrogenase: M-Cluster

Struktur von Mayer and Smith, 1999, Auflösung 1.6 Å: Entdeckung des zentralen Stickstoffs

Nitrogenase: Mechanismus der Stickstoff-Reduktion

Barney B_et al_2006_Breaking the N2 triple bond- insights into the nitrogenase mechanism_DaltonTransactions2277-84

Nitrogenase: Vermutliche Intermediate der Stickstoff-Reduktion

Teil Teil II:II:Regulation Regulation der Photosynthese fder Photosynthese füürr diedie StickstoffStickstoff--FixierungFixierung

Evolution der biologischen Stickstoff-Fixierung im Vergleich zur Photosynthese

Berman-Frank I_Lundgren P_Falkowski P_2003_Research in Microbiology154_157-164

Strategien der Regulation der Photosynthese für die Stickstoff-Fixierung in Cyanobakterien

Berman-Frank I_Lundgren P_Falkowski P_2003_Research in Microbiology154_157-164

Einzellige Cyanobakterien

Regulation der Photosynthese für die Stickstoff-Fixierung in Einzelligen Cyanobakterien (II)

light period: carbon + energy storage

dark period: nitrogen fixation

max. photosynthetic capacity

glycogen storage begins

down regulation of photosynthesis

maximum glycogen storage

nitrogen fixation begins

maximum nitrogen fixationmaximum respiration

up regulation ofphotosynthesis

Von: Culture service of Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis, Sevilla, Spain

Heterocysten bildende Cyanobakterien

vegetative Zellen

Pro-Heterocyste

Heterocyste

Aus:El-Shehawy et al 2003 Physiol Plant 119 (1), 49-55

13 h 36 h 55 h 112 h

Maximale Fluoreszenz-Quantenausbeute (Fm)

Photosystem II -Aktivität (Fv/Fm)

25 µm

Heterocysten-Differenzierung:Verteilungskarten von Parametern der Chlorophyll-

Fluoreszenzkinetik

Ferimazova F, Setlík I, Küpper H, unpublished

Heterocysten-Differenzierung:Veränderung von Parametern der Chlorophyll-

Fluoreszenzkinetik

Ferimazova F, Setlík I, Küpper H, unpublished

Nitr

ogen

fixa

tion

(nm

ol C

2H2

µg c

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-1 h

-1)

0

5

10

15

20

25

30

35

Rel

ativ

e F v

/Fm

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

Local time (h)

8 10 12 14 16 18 20 22

GP

(µM

O2

µg

chl a

-1 h

-1)

-20

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0

10

20

30

40

50

60

Dar

k re

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n

(µM

O2

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-1 h

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-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

Berman-Frank I, Lundgren P, Chen Yi-B, Küpper H, Kolber Z, Bergman B, Falkowski P (2001) Science 294, 1534-1537

Aktivitätszyklus von Trichodesmium

Trichodesmium-Blüte

Kolonien: “Tuft”und “Puff”

Trichodesmium

D1 Protein (grün) and Nitrogenase (rot). Grosses Bild: Overlay, kleines Bild: nur Nitrogenase (Immunofärbung)

Berman-Frank I, Lundgren P, Chen Yi-B, Küpper H, Kolber Z, Bergman B, Falkowski P (2001) Science 294, 1534-1537

Co-Lokalisation von Nitrogenase und PSII in Trichodesmium

Influence of DCMU (10 µM), ascorbic acid (100 µM), and DTT (100 µM) were tested for cultures incubated under aerobic (white columns) and anaerobic (blue columns) conditions. Changes in nitrogenase activity as measured by acetylene reduction.

Inhibitor-Tests: Notwendigkeit von PSII-Aktivität für die Stickstoff-Fixierung in Trichodesmium

Berman-Frank I, Lundgren P, Chen Yi-B, Küpper H, Kolber Z, Bergman B, Falkowski P (2001) Science 294, 1534-1537

Färbung mit DAB (Diaminobenzochinon) zeigt die intrazelluläreVerteilung von H2O2 als braune Farbe in allen Zellen

Nachweis von Mehler-Reaktion während der Stickstoff-Fixierung

Mehler-Reaktion: H2O + 2O2 --> H2O2+O2

Berman-Frank I, Lundgren P, Chen Yi-B, Küpper H, Kolber Z, Bergman B, Falkowski P (2001) Science 294, 1534-1537

0 10 20 30 40 50 600

5

10

0

5

10

Num

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ing

iden

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cel

ls) "very bright"

= bright type IIbrighttype I

normal

low

F0

Diazotrophic period

Non-diazotrophic period

F0

PSII-Aktivität in Trichodesmium: Chl-Fluoreszenzkinetikunterschiedliche Verteilungen der Basisfluoreszenz zu

verschiedenen Aktivitätsstadien

Küpper H, Ferimazova F, Setlík I, Berman-Frank I (2004) Plant Physiology 135, 2120-33

02468

1012

06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Nitrogenaseactivity

Nitr

ogen

ase

activ

ity((m

l eth

ylen

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duct

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.(ml c

ultu

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.min

-1)

control 5% oxygen 50% oxygen

% bright cells

% B

right

cel

ls

Chl

con

cent

ratio

n (µ

M)

Chl

PSII-Aktivität in Trichodesmium: Korrelation der „bright cells“ mit der Stickstoff-Fixierung

Küpper H, Ferimazova F, Setlík I, Berman-Frank I (2004) Plant Physiology 135, 2120-33

Küpper H, Ferimazova F, Setlík I, Berman-Frank I (2004) Plant Physiology 135, 2120-33

PSII-Aktivität in Trichodesmium: An- und Abschalten der „bright cells“

Küpper H, Ferimazova F, Setlík I, Berman-Frank I (2004) Plant

Physiology 135, 2120-33

Küpper H, Andresen E, Wiegert S, Šimek M, Leitenmaier B, Šetlík I (2009) Biochim. Biophys. Acta (Bioenergetics) 1787, 155-167

PSII-Aktivität in Trichodesmium: An- und Abschalten der „bright cells“ (II)

Reversible coupling of individual

phycobiliproteins...

...as a basis for diazotrophic photosynthesis

Küpper H, Andresen E, Wiegert S, Šimek M, Leitenmaier B, Šetlík I (2009) Biochim.

Biophys. Acta (Bioenergetics) 1787, 155-167

Licht initiiert die Photosynthese

Sauerstoffverbrauch übersteigt Sauerstoffproduktion: Gelegenheit zur Stickstoff-Fixierung

Kohlenhydrate werden verbraucht

Atmung geht zurück, Übergang zum “normal F0 inactive”- oder “quenching”- Zustand

Sauerstoffkonzentrationen in der Zelle steigen an

Nitrogenase wird gehemmt, keine weitere N2-Fixierung bis zum nächsten Tag, die Zellen kehren zum Ausgangszustand zurück

Energie und Reduktionsäquivalent für die CO2-Assimilation

Reduktion des PQ-Pools

Induktion eines State 2 --> State 1-ÜbergangsState 1 - Zellen haben ein hohes F0 (“bright cells type I”) wegen überschüssiger PBSs

Stimulation d. pseudozyklischen Elektronentransports hohe Atmungsraten während der frühenLichtperiode

Zusammenfassung: derzeitige Hypothese zur Regulation der Photosynthese für die Stickstoff-Fixierung in Trichodesmium

Alle Folien meiner Vorlesungen im Internet unter

http://www.uni-konstanz.de/FuF/Bio/kuepper/Homepage/AG_Kuepper_education.html

weiterführende Literatur als pdf auf Anfrage