{"title":"Chloroplasten: 11","body":"
<\/BR>Chloroplasten
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<\/BR>Aufbau der Chloroplasten<\/STRONG>
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<\/BR>Chloroplastenhülle:<\/I> Die Chloroplastenhülle trennt das Cytoplasma von der plasmatischen Phase des Chloroplasten, dem Stroma, und besteht aus einer äußeren<\/I> und einer inneren Hüllmembran<\/I>. Diese unterscheiden sich in ihrer Permeabilität sowie in ihrer Protein- und Lipidzusammensetzung. Der Raum zwischen den Membranen ist als nichtplasmatische Phase anzusehen. Im Gegensatz zu den Thylakoiden ist die Chloroplastenhülle chlorophyllfrei, enthält jedoch Carotinoide. Die innere Hüllmembran stellt die eigentliche Permeationsbarriere zum Cytoplasma dar. Als Translokatorsysteme zwischen Stroma und Cytoplasma enthält sie den Phosphattranslokator<\/A> (Antiportsystem für Phosphoglycerat, Dihydroxyacetonphosphat und anorganisches Phosphat) sowie einen Adenylattranslokator<\/A> (Antiport für ADP\/ATP). Mit der Chloroplastenhülle sind viele enzymatische Aktivitäten assoziiert, die in den Lipid-Metabolismus der Pflanzenzelle involviert sind (z. B. Galactosyl-Transferasen und Acyl-Transferasen) sowie Enzyme des Isoprenoidstoffwechsels, die an der Biosynthese der Carotinoide und Plastochinone mitwirken. Weil die Fettsäuresynthese in den Pflanzenzellen auf das Stroma-Kompartiment beschränkt ist, muß auch eine große Menge an Fettsäure-Resten, die für die Lipide<\/A> der cytoplasmatischen Endomembranen, der Mitochondrienmembranen und der Plasmamembran bestimmt sind, die Hüllmembran passieren. Da umgekehrt die meisten plastidären Proteine nicht Plastom-, sondern Kern-codiert sind, müssen sie an cytoplasmatischen 80S-Ribosomen synthetisiert und anschließend durch die Hüllmembran geschleust werden, um an den Ort ihrer Bestimmung im Chloroplasten zu gelangen. Die Proteine werden dabei als längerkettige Vorstufen im Cytoplasma synthetisiert, wobei die überzähligen Aminosäuren als Signalsequenz für den Durchtritt durch die Hüllmembran fungieren. So wird z. B. die kerncodierte kleine Untereinheit der Ribulose-1,5-diphosphat-Carboxylase (Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase) als Präkursor mit 44 zusätzlichen Aminosäuren am Aminoterminus des Proteins synthetisiert. Bei der Passage durch die Hüllmembran wird diese Zusatzsequenz durch eine Endopeptidase wieder abgespalten. Ein solches posttranslationales processing (Prozessierung<\/A>) ist auch bekannt von einigen Thylakoidproteinen, vom Ferredoxin<\/A> und von der Ferredoxin-NADP+<\/SUP>-Oxidoreductase. Man hat eine Transportrate durch die Hüllmembran für solche Proteine von 80 000 Molekülen pro Chloroplast und Stunde kalkuliert.
<\/BR>Thylakoidmembran:<\/I> Die Thylakoidmembran ist der Ort der photosynthetischen Lichtreaktionen (Photosynthese<\/A>). Als Funktionselemente enthält sie die Photosynthesepigmente und die Enzyme der Elektronentransportkette und der Photophosphorylierung. Ontogenetisch leitet sich die Thylakoidmembran von der inneren Hüllmembran ab. Im ausdifferenzierten Chloroplasten besteht jedoch keine Verbindung mehr zwischen den beiden Membranen. Der Innenraum der Thylakoide (pH ca. 5) ist vom Matrixraum (pH ca. 8) völlig getrennt, er ist als weiteres Kompartiment innerhalb des durch die Hüllmembran definierten Stroma-Kompartiments aufzufassen. Dieser Gesichtspunkt ist für die Erklärung der Photophosphorylierung von grundlegender Bedeutung. Die Thylakoidmembran ist ca. 7 nm dick und besteht je zur Hälfte aus Protein und Lipid. Die wichtigsten Anteile der Lipidfraktion entfallen auf die für Plastidenmembranen spezifischen Galactolipide (ca. 50%) und Chlorophylle (ca. 20%). Der Proteinanteil besteht hauptsächlich aus peripheren und integralen Enzymproteinen und Pigment-Protein-Komplexen. Das Vorkommen von Proteinen mit reiner Strukturfunktion ist zweifelhaft. Bei der Beschreibung der molekularen Architektur der Thylakoidmembran neigt man heute zu der Vorstellung einer zumindest partiell flüssigen Lipidphase (vor allem Galactolipide) als Membranmatrix, in welche die verschiedenen Proteine bzw. Proteinkomplexe nach einem dreidimensionalen, flexiblen Muster eingelagert oder aufgelagert sind (fluid-mosaic-Membranmodell)<\/I>. Zu den gegenwärtigen Thylakoidmembranmodellen gelangt man durch die Kombination verschiedener Methoden: Die Röntgenkleinwinkelstreuung<\/I> liefert Informationen über die relative Elektronendichteverteilung quer durch die Membran. Die Gefrierätzung<\/I> (Gefrierätztechnik<\/A>) ist eine elektronenmikroskopische Methode, die die Zuordnung unterschiedlich großer Proteinpartikel zur inneren bzw. äußeren Membranhälfte erlaubt. Immunologische Lokalisierung von Membranbestandteilen:<\/I> Spezifische, gegen definierte Proteine und Lipide gerichtete Antikörper lassen sich als molekulare Sonden zum chemischen Abtasten der Membranoberfläche einsetzen. Durch das Ausschalten (knock out) sowie die Mutagenese von Genen für Thylakoidmembranproteine lassen sich Aufschlüsse über die Sublokalisation sowie die Interaktion einzelner Membranproteinbestandteile gewinnen. Ziel all dieser Methoden ist die Erstellung von Thylakoid-Funktionsmodellen, die geeignet sind, die Photosynthesevorgänge an dieser Membran molekular zu erklären (Photosynthese<\/A>).
<\/BR>Chloroplastenstroma:<\/I> Die Biosynthese von Kohlenhydraten<\/A> ist der mengenmäßig wichtigste biochemische Prozeß in den Chloroplasten. Alle Enzyme des Calvin-Zyklus<\/A> (reduktiver Pentosephosphat-Zyklus) sind im Stroma lokalisiert. Eine besondere Stellung nimmt dabei das sogenante \"Fraktion-I-Protein\" ein, das identisch ist mit der Ribulose-1,5-diphosphat-Carboxylase\/Oxigenase; es katalysiert die CO2<\/SUB>-Fixierung (Kohlendioxidfixierung<\/A>) an den Akzeptor Ribulose-1,5-diphosphat. Dabei entstehen über eine extrem instabile C6<\/SUB>-Verbindung 2 Moleküle Phosphoglycerat<\/A>. Dieses Protein kann bis zu 50% des gesamten löslichen Zellproteins grüner Blätter ausmachen (Konzentration bis 240 mg\/ml Stroma!), es ist das in der Natur bei weitem häufigste Protein. Im nativen Zustand ist es aus je 8 identischen großen (pt-DNA-codierten) und kleinen (kerncodierten) Untereinheiten aufgebaut (relative Molekülmasse 560 000; große Untereinheiten 55 000 ± 4000, kleine Untereinheiten 15 000 ± 3000). Das assembly<\/A> des Komplexes geschieht im Stroma. Als weiteren Zweig des Kohlenhydratstoffwechsels<\/A> beherbergt das Stroma die Enzyme zur Synthese von Depotstärke am Tag, die in der Nacht über einen entsprechenden Satz von Enzymen wieder mobilisiert werden kann. Weiterhin besitzt in der Pflanzenzelle allein das Stromakompartiment die Enzymaktivitäten zur Synthese langkettiger Fettsäuren<\/A> (C16<\/SUB>:0, C18<\/SUB>:1), ausgehend vom C2<\/SUB>-Präkursor Acetyl-CoA. Die plastidäre Fettsäuresynthase gehört dem sogenannten Typ II an, d. h., sie ist prokaryotisch organisiert, liegt also in Form von Einzelenzymen und nicht in multifunktionellen Enzymkomplexen, wie z. B. bei Säugern, vor. Als Carrier der wachsenden Acylkette zwischen den enzymatischen Einzelschritten dient ein in freier Form vorliegendes Acyl-Carrier-Protein<\/A> (ACP). Ebenfalls im Stroma liegen die Enzyme zur Nitrit- und Sulfat-Reduktion. Auch einige Reaktionen in der Biosynthese von Aminosäuren<\/A> finden hier statt. Schließlich besitzen die Chloroplasten eine eigene Proteinsynthesemaschinerie. Die 70S-Ribosomen der Chloroplasten repräsentieren bis zu 50% des gesamten Ribosomenbestands einer photosynthetisch aktiven Zelle. Das Hauptprodukt der plastidären Proteinsynthese ist die große Untereinheit der Ribulose-1,5-diphosphat-Carboxylase, aber auch alle anderen Plastom-codierten Proteine werden dort synthetisiert (z. B. 3 der 5 Untereinheiten der CF1<\/SUB>-ATP-Synthetase). Ebenfalls im Stroma liegt die pt-DNA. Im Elektronenmikroskop sind die DNA-haltigen Bereiche als aufgelockerte, fädig strukturierte Zonen zu erkennen. Pro Chloroplast gibt es mehrere solcher Nucleoid-ähnlichen Bereiche.
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