StickstoffStickstoff--Fixierung Fixierung und Regulation der Photosynthese und Regulation der Photosynthese

für die Stickstofffür die Stickstoff--FixierungFixierung

Teil I:Teil I:Teil I: Teil I: StickstoffStickstoff--FixierungFixierung

Stickstoff-Kreislauf (I)

combustioncombustion, Haber-Bosch

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

Stickstoff-Kreislauf (II): biologische Prozesse

Im Wasser An Land

von: www.oceanography.geol.ucsb.edu von: www.hypersoil.uni-muenster.de

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

NO3-

Verbindungen

3

NitritNitrit--OxidaseOxidase NitratNitrat--ReduktaseReduktase

NONO2

-

NO

Anammox N2OH2NOH

N2

NH3

An biologischer N-Fixierung beteiligte Organismen

Anabaena Trichodesmium AzotobacterGloeotheceAnabaena TrichodesmiumRhizobienAzolla

AzotobacterGloeothece

Summengleichung der biologischen Stickstoff-Fixierung

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

2NH + H + 16 MgADP + 16 P2NH3 + H2 + 16 MgADP + 16 Pi

Mechanismus der biologischen Stickstoff-FixierungNit C b kt iNitrogenase von Cyanobakterien

Das Fe-Protein

Nitrogenase: P-Cluster

Nitrogenase: M-Cluster

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

Nitrogenase: Mechanismus der Stickstoff-Reduktion

Nitrogenase: Vermutliche Intermediate der Stickstoff-Reduktion

Barney B_et al (2006) Breaking the N2 triple bond- insights into the nitrogenase mechanism. DaltonTransactions 2277-84

Teil II:Teil II:Regulation der Photosynthese für die StickstoffRegulation der Photosynthese für die Stickstoff--FixierungFixierung

Evolution der biologischen Stickstoff-Fixierung im Vergleich zur Photosynthesey

Berman-Frank I_Lundgren P_Falkowski P_2003_Research in Microbiology154_157-164

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

glycogen storage begins

light period:max. photosynthetic capacity

glycogen storage begins

d l ti flight period: carbon + energy storage

down regulation of photosynthesis

maximum glycogen storagel ti f

nitrogen fixation beginsup regulation ofphotosynthesis

dark period: nitrogen fixation

i it fi timaximum nitrogen fixationmaximum respiration

Heterocysten bildende Cyanobakterien

vegetative Zellenvegetative Zellen

Pro-Heterocyste

Heterocyste

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

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

Heterocysten-Differenzierung:V t il k t P t d Chl h llVerteilungskarten von Parametern der Chlorophyll-

Fluoreszenzkinetik

Maximale Fluoreszenz-Quantenausbeute (Fm)

13 h 36 h 55 h 112 h

25 µm

13 h 36 h 55 h 112 h

Photosystem II -Aktivität (Fv/Fm)y ( v m)

Ferimazova N, Setlík I, Küpper H, unpublished

Heterocysten-Differenzierung:Veränderung von Parametern der Chlorophyll-g p y

Fluoreszenzkinetik

Ferimazova N, Setlík I, Küpper H, unpublished

Aktivitätszyklus von TrichodesmiumTrichodesmium

xatio

n

hl a

-1 h

-1)

25

30

35

v/F m

1.0

1.1y

Nitr

ogen

fix

l C2H

2 µg

c

15

20

25

Rel

ativ

e F v

0 7

0.8

0.9

Trichodesmium-Blüte

N

(nm

ol

0

5

10

0 5

0.6

0.7

00.5

l a-1

h-1

)

40

50

60

tion

a-1 h

-1)

-6

-4

-2

M O

2 µ

g ch

l

20

30

40

ark

resp

irat

O2

µg c

hl a

-12

-10

-8

GP

(µM

-10

0

10 Da

(µM

-18

-16

-14Kolonien: “Tuft” und “Puff”

Local time (h)

8 10 12 14 16 18 20 22-20 -20

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

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

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

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

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

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

Nachweis von Mehler-Reaktion während der Stickstoff-Fixierungg

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

Mehler-Reaktion: H2O + 2O2 --> H2O2+O2Mehler 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

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

10ells

) "very bright"= bright type II

brighttype I

normal

w F

0

verschiedenen Aktivitätsstadien

10

iden

tical

ce = bright type IItype I

low

Non-diazotrophic period5

ghbo

urin

g i Non-diazotrophic period

0

ups

of n

eig

10

ells

or g

rou

Diazotrophic period

5

obje

cts

(c

p p

0 10 20 30 40 50 600

Num

ber o

f

0 10 20 30 40 50 60N

F0

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

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

vity tio

n)n-1

)

cells mit der Stickstoff-Fixierung

Nitrogenaseactivity

nase

act

iven

e re

duct

lture

)-1.m

in12

Nitr

oge

((m

l eth

yl.(m

l cu l

% b i ht ll

468

10 % bright cells

right

cel

ls

024

0 4

% B

r

(µM

)

0.2

0.3

0.4

cent

ratio

n Chl

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

0.1

Chl

con

c

06 00 09 00 00 5 00 8 00 00 00 00 control 5% oxygen 50% oxygen

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“An- und Abschalten der „bright cells

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“ (II)An- und Abschalten der „bright cells (II)

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

Reversible coupling of individual

...as a basis for diazotrophic photosynthesisof individual

phycobiliproteins...photosynthesis

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

Biophys. Acta (Bioenergetics) 1787, 155-167

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

Licht initiiert die Photosynthese

E i d R d kti ä i l t fü diR d kti d PQ P l

Photosynthese für die Stickstoff Fixierung in Trichodesmium

Energie und Reduktionsäquivalent für die CO2-Assimilation

Reduktion des PQ-Pools

Induktion eines State 2 --> State 1-Übergangs St t 1 Z ll h b i h h F (“b i htState 1 - Zellen haben ein hohes F0 (“bright cells type I”) wegen überschüssiger PBSs

Sauerstoffverbrauch übersteigt Sauerstoffproduktion:

Stimulation d. pseudozyklischen Elektronentransports hohe Atmungsraten während der frühen Lichtperiode

Sauerstoffverbrauch übersteigt Sauerstoffproduktion: Gelegenheit zur Stickstoff-Fixierung

Kohlenhydrate werden verbrauchtKohlenhydrate 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

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