Das Protein CGL71 schützt den Photosyntheseapparat vor Sauerstoff

Die Photosynthese läuft in den Chloroplasten von Pflanzenzellen ab. Das eingelagerte Chlorophyll verleiht ihnen die grüne Farbe. (NASA)
Die Photosynthese läuft in den Chloroplasten von Pflanzenzellen ab. Das eingelagerte Chlorophyll verleiht ihnen die grüne Farbe. (NASA)

Während des Tages wandeln Pflanzen die Sonnenenergie mittels Photosynthese in Zucker um – das ist ein komplexer, mehrstufiger, biochemischer Prozess. Die neue Forschungsarbeit eines Teams mit Beteiligung von Mark Heinnickel, Wenqiang Yang und Arthur Grossman von der Carnegie Institution for Science hat ein für den Photosyntheseapparat notwendiges Protein identifiziert. Es könnte uns dabei helfen, die Geschichte der Photosynthese in der Frühzeit des Lebens auf der Erde zu verstehen, als die Atmosphäre nicht viel Sauerstoff enthielt. Die Arbeit der Wissenschaftler wird in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Die Photosynthese läuft in mehreren Stufen ab. Im ersten Schritt (Photosystem I) wird Licht absorbiert und dafür genutzt, um energiereiche Moleküle zu produzieren, wobei als Nebenprodukt Sauerstoff freigesetzt wird. Diese energiereichen Moleküle werden anschließend verwendet, um den zweiten Schritt der Photosynthese anzutreiben, in dem Kohlenstoffdioxid aus der Luft in kohlenstoffbasierte Zucker wie Glucose und Saccharose gebunden wird.

Das Forschungsteam arbeitete mit der Grünalge Chlamydomonas und konzentrierte sich auf ein Protein namens CGL71. Es war bereits bekannt, dass es an dem Aufbau des Proteinclusters beteiligt ist, aus dem jener Teil des Photosyntheseapparats besteht, der an dem ersten Schritt der Photosynthese mitwirkt: dem Schritt, der Sonnenlicht in energiereiche Moleküle umwandelt, welche den zweiten Schritt mit Energie versorgen und außerdem Sauerstoff freisetzt. Aber bis jetzt war nur wenig über die Rolle des Proteins CGL71 bei diesem Aufbauprozess bekannt.

Das Team konnte feststellen, dass zumindest ein Aspekt der Rolle des Proteins CGL71 darin besteht, den Photosyntheseapparat während seines Aufbaus vor dem Sauerstoff zu schützen. Ja, das ist richtig, vor dem Sauerstoff. Die Photosynthese entwickelte zuerst vor etwa drei Milliarden Jahren in Bakterien zu einer Zeit, als die Erdatmosphäre nur sehr wenig Sauerstoff enthielt. Natürlich breiteten sich die Photosynthese betreibenden Bakterien auf der frühen Erde weiter aus und die Atmosphäre veränderte sich und schuf letztendlich die sauerstoffreiche Luft, die wir heute atmen.

Sauerstoff ist aber ein sehr reaktionsfreudiges Molekül, das jene eisen- und schwefelhaltigen Proteincluster zerstören kann, welche für die Photosynthese unerlässlich sind. Diese Proteincluster sind – wie CGL71 – entscheidend für den ersten Schritt der Photosynthese, wobei sie Elektronen bewegen, um die energiereichen Moleküle zu produzieren. So wie Sauerstoff das Eisen eines Hufeisens oder einer Bratpfanne rosten lassen kann, so kann es auch die eisen- und schwefelhaltigen Proteine des Photosyntheseapparats beschädigen.

Als sich der Sauerstoff in der Erdatmosphäre anreicherte, brauchte der Photosynthesemechanismus also einen Schutz vor seinem eigenen Nebenprodukt, und CGL71 ist eine Komponente, die sich entwickelte, um den Photosyntheseapparat unter diesen neuen Bedingungen stabil zu halten.

“Wenn wir dieses entscheidende Aufbauprotein CGL71 betrachten, ist es so, als würden wir zurück in eine Ära blicken, als der Photosyntheseapparat sich langsam an die veränderten atmosphärischen Bedingungen auf unserem Planeten anpassen musste”, sagte Grossman.

Zu dem Team gehörten unter anderem auch die Doktoranden Rick Kim und Tyler Wittkopp von der Stanford University, Karim Walters von der Pennsylvania State University und der Gastprofessor Stephen Herbert von der University of Wyoming.

Abhandlung: “Tetratricopeptide repeat protein protects photosystem I from oxidative disruption during assembly” von Mark Heinnickela, Rick G. Kima, Tyler M. Wittkopp, Wenqiang Yanga, Karim A. Walters, Stephen K. Herbert und Arthur R. Grossman

Quelle: https://carnegiescience.edu/node/1997

(THK)

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