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Die Evolution der Pflanzenzelle - Äußere Hülle der Chloroplasten wohl bakterielles Erbe

28.07.2005 - (idw) Ludwig-Maximilians-Universität München

Die Chloroplasten sind die Photosynthese betreibenden Einheiten der Pflanzenzelle. Wie die Energie erzeugenden Mitochondrien auch, stammen sie von Bakterien ab. So lassen sich anhand verschiedener Merkmale immer noch Gemeinsamkeiten feststellen. Umstritten war allerdings, ob die äußere der beiden Hüllmembranen von Zellbestandteilen wie den Chloroplasten von dem ursprünglichen Bakterium stammt oder der Wirtszelle, die dieses aufgenommen hat. Das Team um Dr. Enrico Schleiff vom Department für Biologie I der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München hat jetzt Hinweise gefunden, die auf einen bakteriellen Ursprung dieser Membran hindeuten, wie in der online-Ausgabe des Fachmagazins Journal of Biological Chemistry berichtet. Ausgangspunkt der Untersuchung war ein Protein in der Chloroplastenhülle, das Proteine in das Organell transportiert. Die Wissenschaftler fanden ein Protein in der Hülle eines nahe verwandten Bakteriums, das so ähnlich ist, dass es die Chloroplastenproteine ebenfalls erkennen und transportieren kann, was auf eine gemeinsame Abstammung hindeutet. Die Energie erzeugenden Mitochondrien, die Chloroplasten der Pflanzen und andere Zellbestandteile höherer Organismen stammen von Bakterien ab, die von den Zellen aufgenommen und integriert wurden. Diese Organellen haben seit langem ihre Selbständigkeit verloren und können nur noch in der Zelle überleben. Dennoch sieht man ihnen ihr Erbe an: Es gibt zahlreiche strukturelle und funktionale Gemeinsamkeiten zwischen diesen Zellbestandteilen und den Bakterien, von denen sie abstammen. Doch noch immer sind nicht alle Fragen der Entstehung und Anpassung dieser Zellorganellen gelöst. Nicht geklärt ist etwa, woher die äußere der beiden Hüllmembranen der Plastiden, also der Chloroplasten und ähnlicher Zellbestandteile, stammt. "Im Lauf der Evolution wurden die meisten ehemals bakteriellen Gene in den Kern der Wirtszelle übertragen", berichtet Schleiff. "Damit werden auch die Genprodukte, die entsprechenden Proteine, im Zellinneren synthetisiert. Diese müssen dann in die Chloroplasten gelangen, was die Existenz eines Transportapparates bedingt. Bis vor kurzem war auch nicht bekannt, woher dieser Komplex kam und wie er sich entwickelte."

Das Team um Schleiff konzentrierte sich bei seinen Untersuchungen auf die Blaualge des Genus Nostoc. Denn diese Bakterien sind den Plastiden genetisch eng verwandt. "Wir analysierten die Zusammensetzung der Proteine in der äußeren Membran einer bestimmten Nostoc-Art", so Schleiff. "Dabei fanden wir ein Protein, das eine hohe Ähnlichkeit zu dem Transportkanal für Proteine in der äußeren Hüllmembran von Plastiden aufweist." Wie Schleiff und seine Mitarbeiter nachweisen konnten, besitzt das bakterielle Protein Eigenschaften, die es geeignet erscheinen lassen, als späterer Importkanal zu fungieren. "Es hat sich sogar gezeigt, dass dieses Protein in der Lage ist, die Zielsteuerungssequenz von Vorstufenproteinen der Plastiden zu erkennen." Diese weisen sich damit aus, um in die Plastiden transportiert zu werden. Es konnte allerdings keine Wechselwirkung zwischen dem bakteriellen Protein und anderen Komponenten des Transportkomplexes in den Plastiden gezeigt werden.

"Aus diesen Beobachtungen schlussfolgern wir zwei Dinge", so Schleiff. "Zum einen muss der gemeinsame Vorfahr des Nostoc-Proteins und des Plastiden-Proteins schon in der Lage gewesen sein, Vorstufenproteine zu erkennen und zu transportieren, so dass er wohl den evolutionären Grundkomplex gebildet hat. Daneben müssen die anderen Komponenten des Transportkomplexes der Plastiden aber während der evolutionären Entwicklung beigefügt worden sein." Eine detaillierte Analyse des Proteins in Nostoc und des verwandten Chloroplastenproteins zeigte zudem, dass beide aus zwei funktionellen Bereichen bestehen. Einer davon bildet eine Pore in der Membran, die den Eintritt der Vorstufenproteine erlaubt.

Aus evolutionärer Sicht ist besonders interessant, dass diese porenbildende Region zweigeteilt ist, wobei die Bereiche sehr ähnlich sind. Vermutlich entstand also auch die Pore evolutionär aus einem Grundbaustein, der durch Genduplikation verdoppelt wurde. "Unsere Arbeit bietet erste Anhaltspunkte für die evolutionäre Entstehung des Transportkomplexes in der Plastidenmembran und bestimmter daran beteiligter Proteine", meint Schleiff. "Die Identifizierung von ähnlichen Proteinen in der äußeren Membran der Bakterien und der äußeren Membran von Plastiden ist aber auch ein Ansatzpunkt zum Verständnis des Ursprungs eben dieser Membran." (suwe)


Veröffentlichung:

"The Evolutionary Related beta-Barrel Polypeptide Transporters from Pisum sativum and Nostoc PCC7120 Contain Two Distinct Functional Domains",
Franziska Ertel, Oliver Mirus, Rolf Bredemeier, Suncana Moslavac, Thomas Becker, Enrico Schleiff,
The Journal of Biological Chemistry, Vol. 280, Issue 31, 28281-28289, 5. August 2005, jetzt bereits online publiziert.

Ansprechpartner:

Dr. Enrico Schleiff
Department für Biologie I
Tel: 089 / 17861-282
E-Mail: schleiff@lrz.uni-muenchen.de

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