Mineralstoffwechsel

Question 1

Was sind die Makroelemente?Mikroelemete?

Answer 1

Makroelemente: (C, H, O), N, P, K, S, Mg, Ca

• Mikroelemente (Spurenelemente): Cl, Fe, B, Mn, Na, Zn, Cu, Ni, Mo

Question 4

Welche 4 Arten Mangelsymptome bei Pflanzen?

Answer 4

• Mindestens vier Hauptarten der Mangelsymptome:

1) Tod oder vorzeitiges Absterben älterer Blätter
2) Wachstumsretardierung – kleine Blätter, kurze Internodien 3) Chlorosen – Gelbliches Aussehen der Blätter
4) Rote oder violette Farbe - Synthesis von Anthocyaninen Zusätzlich: spezifische Defekte im Stoffwechsel und in der Entwicklung (Indikator für den Mangel spezifischer Ionen)

Question 5

Was passiert bei Stickstoffmangel bzw. Stickstoffüberschuss?

Answer 5

◦ eingeschränktes Wachstum

◦ Chlorosen

◦ Gelbfärbung

◦ Blattfall

◦ Phloem-beweglich = besonders in älteren Blättern kann weiter transportiert werden →

• Stickstoff-Überschuss:

◦ fördert Sprosswachstum mehr als Wurzelwachstum

◦ fördert vegetatives Wachstum mehr als reproduktives Wachstum & mehr als Bildung von Samen

Question 6

Auswirkung Boden-pH auf Mineralstoffverfügbarkeit?

Answer 6

• Boden-pH starken Einfluss auf Wurzelwachstum

◦ Wurzelwachstum ist optimal bei pH 5,5 – 6,5

◦ saure Bedingungen setzen K, Mg, Ca & Mn frei • pH- Regulation:

◦ organischer Abbau erniedrigt Boden-pH

◦ Überbewässerung/ Regen entfernt Ionen Boden wird alkalisch

Question 7

Was lässt sich zur Stickstoffassimilation sagen?

Answer 7

neben Phosphor DER limitierende Nährstoff (natürliche Ökosysteme, Landwirtschaft), obwohl in Atmosphäre fast 80% N2 vorhanden 91

• Stickstoff liegt im Boden hauptsächlich als Ammonium oder Nitrat vor, wobei die Nitratkonzentration deutlich überwiegt (zusätzlich ist Nitrat mobiler)
• Pflanzen selbst können keinen N2 aus der Luft fixieren sondern nur NO → 3⁻ „einbauen“ bzw. in reduzierter Form (NH4⁺) aufnehmen
• Stickstoff liegt dabei in max. oxidierter Form (NO3⁻) vor kann so nicht in organ. Komponenten eingebaut → werden Nitratassimilation

Question 8

Wie wird Nitrat aufgenommen?

Answer 8

• einige (wenige) Pflanzenarten können in Symbiose mit Knöllchenbakterien (= Rhizobien) Stickstoff (N2) aufnehmen und nutzen assimilatorische Nitratreduktion

-ansonsten: Transport entgegen elektrochemischen Protonengradienten durch Cotransporter von Protonen (2-3 H⁺/ NO3⁻)

• strenge Regulation in Abhängigkeit zur Verfügbarkeit & Akkumulation in den Zellen
• Hochaffinitätstransport für Aufnahme in Wurzeln & Zellen • Schwachaffinitätstransportsystem: nicht-sättigende Aufnahme, aber hohe Transportkapazität
• 2 Genfamilien von Nitrattransportern: ◦ NRT2 high affinity (HAT) → ◦ NRT1 low affinity (LAT) → ◦ NRT1-Gen kodiert Nitrattransporter, der niedrig und hoch affine Nitrattransporte katalysiert (dual affinity)

Question 9

Welche Möglichkeiten der Nitratassimilation gibt es?

Answer 9

• Nitratassimialtion in Wurzeln:

◦ 1) in Leukoplasten zu NH4⁺ reduziert & für Synthese von Glutamin und Aspartat verwendet

◦ 2) NO3⁻ -Transport über Xylemgefäße, ebenso Amid-Transport

◦ 3) Vakuole: NO3⁻ -Speicher • Nitratassimilation in Blättern:

◦ in Chloroplasten zu NH4⁺ reduziert & für Synthese von Glutamin und Aspartat verwendet

Question 10

Was macht die Nitratreduktase?

Answer 10

• NO3⁻ + NAD(P)H + H⁺ NO2⁻ + H2O + → NAD(P)⁺ [Transfer von 2e⁻]
• Eigenschaften:

◦ Homodimer mit je 3 verschiedenen Cofaktoren (FAD, Häm, Molybdän-Cofaktor)

◦ Transfer der Elektronen von NADPH auf Nitrat Reduktion von Nitrit → ◦ NAD(P)H stammt aus der Glykolyse

◦ schrittweise Änderung des Redoxpotenzials von negativ zu weniger elektronegtivem Redoxpotenzial

Question 11

Was macht die Nitritreduktase?

Answer 11

NO2⁻ + 6 Fdred + 8 H⁺ -> NH4⁺ +6 Fdox + 2 H2O

• Nitritreduktase in den Plastiden überträgt Elektronen vom Ferredoxin auf Nitrit (NO2⁻)
• Reduktionsäquivalente werden über Photosynthese-Elektronentransportkette oder in Leukoplasten durch den oxidativen Pentose-Phosphat-Weg bereitgestellt
• Reduktion von Nitrit zu Ammonium findet in den Plastiden statt

Question 15

Funktion von Schwefel?

Answer 15

Sulfidbrücken zwischen Cysteinen in Polypeptidketten: 3-dimensionäre Struktur von Proteinen (Dimerisierung des Ethylenrezeptors ETR1)

▪ Bestandteil der Eisen-Schwefelcluster der photosynthetischen (Cytochrom-b6f-Komplex) & der mitochondrialen (Cytochrome-bc1-Komplex) ETK

▪ Bestandteil der katalytischen Zentren zahlreicher Enzyme (z.B. Urease) & Coenzyme (z.B. Coenzym A, Biotin, Thiamin, S-Adenosylmethionin)

▪ Bestandteil von sekundären Pflanzenstoffen wie Allicin (Antiseptikum von Knoblauch), Sulforaphan (Antikarzinogen von Brokkoli), Phytochelatine (Schutz gegen toxische Schwermetalle), Phytoalexine (Pathogenabwehr), Glucosinolate (z.B. Sinapin) der Brassicaceen (Fraßschutz), u.v.m.

Question 16

Was sind Pyhtochelatine?

Answer 16

• schützen die Pflanze vor Schwermetallen
• akkumulieren in der Vakuole und sind Indikatoren für Metallstress
• Glutathion übt Funktionen bei Redox-Kontrolle & Entgiftungsreaktionen aus
• Phytochelatin schützt gegen Schwermetall-Toxizität
• Phytochelatin-Synthase (eine Transpeptidase) spaltet die Peptidbindung zwischen dem Cystein und dem Glycin eines Glutathions und überträgt auf die freigewordene Carboxygruppe des Cysteins die α95 Aminogruppe des Glutamatrestes eines zweiten Glutathionmoleküls. Durch eine Wiederholung dieser Reaktion entstehen langkettige Phytochelatine.

Question 17

Wie funktioniert die Schwefelassimilation?

Answer 17

• Aufnahme in die Wurzel via H⁺-SO4²⁻-Symporter („high-affinity Permease“: aktiver Transporter)
• Assimilation entweder in Wurzelzellen oder Transport des Sulfats im Transpirationsstrom (Xylem) ins Blatt
• Aufnahme in Blattzellen via H⁺-SO4²⁻-Symporter („low-affinity Permease“: aktiver Transporter)
• Speicherung als Sulfat in Vakuole möglich
• Transport des assimilierten S in Form von Glutathion zu den sinkGeweben (Phloem)
• Generell: 2 Wege der S-Assimilation in 2 verschiedenen Kompartimenten Cytosol, Plastide → • Kosten der S-Assimilation: SO4²⁻ + ATP + 8 e⁻ + 8 H⁺ S²⁻ + 4 H2O + AMP + Pi → (APS: 5-Adenylsulfat, PAPS: 3-Phosphoadenosin-5‘-Phosphosulfat, Cys: Cystein)

Question 18

Assimilation Sulfid als Cystein?

Answer 18

• Der bei der Sulfitreduktion gebildete Schwefelwasserstoff wird in Cystein eingebaut.
• Synthese von Cystein erfolgt in 2 Schritten: ◦ Serin wird acetyliert (Serinacetyltransferase) & danach wird Cystein gebildet (O-Acetylserinthiolyase)
• H2S wird in Form von Cystein fixiert
• Reduktion des Sulfits zu Schwefelwasserstoff durch Sulfit-Reduktase Reduktionsäquivalente erhältlich → über Photosystem I oder NADPH
• zur Fixierung von H2S muss Serin aktiviert werden
• zum Ende der Sulfatassimilation wird Cystein gebildet
• Serin-Acetyltransferase + Acetylserin-Lyase = Cystein-Synthase-Komplex

Question 19

Wie funktioniert die Regulation der Cystein Synthese?

Answer 19

• Cysteinsynthase-Komplex besteht aus SAT und OAS-TL (SAT = SerinAcetyltransferase, OAS = O-Acetylserin-Lyase)
• als Komplex, ist SAT aktiv & OAS-TL inaktiv Serin wird umgesetzt & → O-Acetylserin gebildet
• wenn Sulfat abwesend reichert sich OAS an verursacht eine Dissoziation des CS-Komplexes & SAT liegt frei vor & ist in der Form inaktiv → dadurch sinkt die Produktionsrate von OAS
• ist Sulfat vorhanden produzieren die freien OAS-TL-Dimere Cystein →
• Steigende [H2S] und sinkende [OAS] Unterdrückung der Gene für Sulfattransport und - assimilation →
• Sinkende [H2 S] und steigende [OAS] Aktivierung der Gene für Sulfattransport und -assimilation

Question 20

Wie funktioniert die symiotische Stickstofffixierung?

Answer 20

• findet in Wurzelknöllchen statt
• Leghämoglobin kommt in Wurzelknöllchen der Hülsenfrüchtler (Leguminosen) vor
• Symbiotische Bakterien sind von einer Peribakteroid-Membran umschlossen:

◦ peribakterielle Membran stammt von der Plasmamembran der Wirtszelle

◦ Grundlage der Symbiose:

▪ Wirtszelle liefert die zur Fixierung benötigten Kohlenhydrate und O2 (Photosyntheseassimilate)

▪ Symbiont liefert Ammonium

• Schematisches Modell der symbiotischen Stickstoff-Fixierung (SNF) in den Knöllchen von Aminosäure(amid)-exportierenden Hülsenfrüchten.

◦ Nitrogenase-Enzym (= Stickstoffase-Komplex) ist bakteriell kodiert (prokaryotisches Enzym) - enthält FeProteindimer und MoFe-Tetramer

• sehr reichlich vorhanden, durch Sauerstoff inaktiviert (siehe Leghämoglobin)

Question 21

Mykorrhiza?

Answer 21