Biogenese photosynthetischer Elektronentransport-Komplexe in Plastiden der Gerste(Hordeum vulgare L.)

Die Synthese von Chlorophyll ist in Angiospermen ein streng
lichtabhängiger Prozess. Keimlinge, welche im Dunkeln angezogen
werden, bilden anstelle der (grünen) Chloroplasten (gelb-orange)
Etioplasten. In diesen ist die Thylakoidmembran durch den
parakristallinen Prolamellarkörper und einige Prothylakoidmembranen
ersetzt. Auf Ebene der Proteine kann zwar bereits im Dunkeln die
Translation aller plastidencodierten Chlorophyll-bindenden Proteine
nachgewiesen werden, allerdings werden diese mit Ausnahme des
D2-Proteins in Abwesenheit von Chlorophyll sofort wieder
degradiert. Mit der Belichtung von etioliertem Gewebe setzen der
Abbau des Prolamellarkörpers und die Bildung der Thylakoidmembranen
ein. Diese Umstrukturierung des inneren Membransystems geht mit der
Akkumulation und der Assemblierung der chlorophyll-bindenden
Photosystemkomplexe einher. Der genaue Ablauf der de novo
Assemblierung der Chlorophyll-bindenden Proteinkomplexe ist bisher
nicht vollständig geklärt. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit
die Biogenese von Pigment-bindenden Proteinkomplexen der
Plastidenmembran während der Ergrünung untersucht. Dabei dienten im
Dunkeln angezogene Keimlinge bzw. die daraus isolierten Etioplasten
und deren Membranproteinkomplexe als Startpunkt. Zur Identifikation
und Charakterisierung der Pigment-bindenden Komplexe wurden
verschiedene Methoden (differentielle Gelelektrophorese für
Membranproteine, farblose native Polyacrylamidelektrophorese in
Kombination mit Absorptionsspektroskopie) weiterentwickelt. Durch
die Kombination aller Techniken konnten verschiedene Aussagen zur
Situation im Etioplasten und zum Ablauf der de novo Assemblierung
während der Ergrünung getroffen werden. Der ATP-Synthase- und der
Cytochrom b6f-Komplex liegen bereits im Etioplasten in der aus dem
Chloroplasten bekannten hochmolekularen Assemblierungsstufe vor,
wobei im dimeren Cytochrom b6f-Komplex im Etioplasten
Protochlorophyll a anstelle von Chlorophyll a nachgewiesen werden
kann. Somit ist der Cytochrom b6f-Komplex der einzige
Chlorophyll-bindende Komplex, der bereits in der Abwesenheit von
Chlorophyll unter Ersatz des Chlorophylls durch ein
Chlorophyllderivat akkumulieren kann. Unmittelbar nach der
Initiation der Chlorophyllbiosynthese ist der Großteil des de novo
synthetisierten Chlorophylls in der Membran nicht mit
Photosystemkomplexen assoziiert, sondern transient mit dem
membranintegralen Lil (Light harvesting like) 3-Protein. Die
Identifikation des Lil 3-Proteins als Chlorophyll-bindendes Protein
weist erstmals auf eine mögliche Funktion dieses Proteins als
temporärer Chlorophyllspeicher hin. Nach einer Stunde Belichtung
können sowohl Photosystem I wie auch Photosystem II-Komplexe
nachgewiesen werden, wohingegen erste LHC- Komplexe nach
zweistündiger Belichtung zu detektieren sind. Während des
Assemblierungsvorganges können für beide Photosysteme mehrere
Assemblierungsintermediate nachgewiesen werden. Nach vierstündiger
Belichtung hat die Assemblierung aller Thylakoidmembrankomplexe die
komplexeste Assemblierungsstufe erreicht, welche aus dem
Chloroplasten bekannt ist. Daher kann nach einer Belichtungszeit
von vier Stunden die Biogenese der vier an der Lichtreaktion
beteiligten Thylakoidmembrankomplexe von proteinbiochemischer Seite
als abgeschlossen betrachtet werden.