Stärkesynthese

Question 1

Stärke-Struktur?

Answer 1

• Amylose („Stärkemehl“) und Amylopectin (plus etwas Phosphat)
• Verhältnis: Stärke zu 20-30% aus Amylose und 70-80% Amylopectin
• Amylose:

◦ 200 bis 1000 α-D-Glucose-Einheiten, (α-1 4)-Verbindungen →

◦ in heißem Wasser gut löslich 70

◦ Amylose-Kette als sekundäre Struktur eine Helix, die Jodmoleküle im Inneren der Helices bindet (blauviolette Färbung)

• Amylopectin:

◦ 2000 bis 22.000 Glucose-Moleküle

▪ (α-1 4)- & (α-1 6)-Verbindungen

▪ ca. eine (α-1 6)-Verbindung auf ca. 25 Glucose-Einheiten →

◦ bindet Jod weniger gut als Amylose (violett bis rosa Färbung)

◦ in heißem Wasser unlöslich enthält ein reduzierendes Ende & mehrere nicht-reduzierende Enden → ◦ Polyglucanketten haben alle 20-25 Glucosereste eine Verzweigung ◦ im Stärkegranulum sind Amylopectin-Moleküle in Schichten übereinander angeordnet

Question 2

Stärke-Synthese & Schlüsselenzyme?

Answer 2

• Synthese der ADP-Glucose

◦ Glucose-1-P + ATP ADP-Glucose+ P → Pi

◦ Aktivierung durch ADP-Glucose-Pyrophosphorylase (AGPase)

• dabei entstehende Pyrophosphat wird hydrolysiert, wodurch die Reaktion zu ADP-Glucose irreversibel wird

◦ PPi + H2O 2 P → i + 2 H⁺

◦ Pyrophosphatase

• ADP-Glucose (aktivierte Glucose) wird auf den endständigen Glucoserest der Glukankette übertragen

◦ ADP-Glucose + (α-D-1,4-glykosyl)n ADP + ( → α-D-1,4-glykosyl)n+1

◦ durch Stärke-Synthase

• Reaktionen der PGI, PGM und AGPase finden in den Plastiden statt
• cytosolische AGPase in Mais, Gerste und anderen Getreide (ADP-Glukose Synthese im Cytoplasma nicht ausgeschlossen werden)

Question 3

Regulation der Stärke-Synthese?

Answer 3

• Stärke wird tagsüber synthetisiert (transistorische AssimilationsStärke) → Stärkeakkumulation in Blättern sehr stark lichtabhängig eher diurnaler (tageszyklischer) Rhythmus
• Nachts: Stärke in ihre Grundbausteine zerlegt & aus Blättern entfernt

Question 4

Regulation der plastidären AGPase?

Answer 4

• auf unterschiedlichen Ebenen, in Reaktion auf unterschiedliche Umweltfaktoren unterschiedlich schnell

◦ allosterische Regulation (Licht, Atmung) von 3-PGA gesteigert & von Pi gehemmt

◦ Protein-Phosphorylierung

◦ transkriptionale Regulation langfristig vermehrte/verminderte Expression zweier Gene, von Zucker, Nitrat & Pi reguliert

◦ Redox-Modulation (Licht, Zucker, ATP) beide kleine UE durch Di-Sulfitbrücke verbunden

→ reduzierte Form der AGPase ist die aktive Form

Question 5

Stärke- und Saccharose-Synthese?

Answer 5

• Schema der Stärke-Saccharose-Synthese am Tag: ◦ Triosephosphat, welches im Calvinzyklus gebildet wird, kann etweder zur Stärkebildung (im Chloroplasten) oder ins Cytosol transportiert werden, im Austausch mit anorg. Phosphat (Pi) über den Phosphat-Translokator (Antiporter) in der Chloroplastenmembran

◦ im Cytosol kann Triosephosphat zu Saccharose umgebaut werden, entweder zur Lagerung in den Vakuolen oder zum Transport als Transportzucker

◦ Schlüsselenzyme sind: 1) Stärke-Synthetase, 2) Fruktose-1,6- biphosphatase, 3) Saccharose-Phosphat-Synthase

• beide Stoffwechselprozesse sind über den Pi-Translokator verbunden → Konkurrenz um Triose-Phosphate des Calvin-Zyklus 72
• Export des Triose-Phosphats wird mit dem Import von Phosphat gekoppelt: Triose-Phosphat/PhosphatAntiporter (= Phosphat-Translokator)
• Triose-Phosphattranslokator: liegt in der inneren Chloroplastenhüllmembran vermutlich als Dimer vor

◦ Lysin und Arginin an Substratbindung beteiligt

◦ spielt entscheidende Rolle, ob tagsüber mehr Assimilationsstärke im Blatt oder vermehrt Saccharose im Cytosol stattfindet

Question 6

Stärkeabbau - hydrolytisch und phosphorolytisch?

Answer 6

• hydrolytisch: ◦ Amylasen spalten spezifisch die (α-1 4)-Bindungen (α-Gly → - cosidasen) der Stärke in Maltose-Einheiten

◦ α-Amylase (Endoenzym): hydrolysiert α-1,4-Bindungen innerhalb der Glukankette

◦ β-Amylase (Exoenzym): spaltet am reduzierenden Ende Disaccharid-Einheiten ab

• phosphorolytisch: (unklare Bedeutung)

◦ (Glucose)n + Pi → Glucose-1-P + (Glucose)n+1 (über StärkePhosphorylase)

◦ Stärke-Phosphorylase benötogt hohe Phosphatkonzentrationen für optimale Aktivität

Question 7

MEX1-Mutation?

Answer 7

im chloroplastidären Maltose-Transporter führt zu Akkumulation der Maltose im Stroma → chlorotischer Phänotyp

nächtlicher Abbau von Stärke in Chloroplasten überwiegend zu Maltose

->Maltose kann nicht in Cytosol transportiert werden

Question 8

Saccharose-Synthese im Cytosol

Answer 8

• Saccharose-6-P-Synthetase (SPS) [9] Schlüsselenzym der Saccharose-Synthese ◦ UDP-glukose + Fruktose-6-phosphat Saccharose-6-phospaht [10] Saccharose
• SPS durch kovalente (P) & nicht-kovalente (allosterische Effektoren) Interaktionen reguliert
• Serin-Phosphorylierung durch SnRK1 inaktiviert die SPS
• Dephosphorylierung über spezifische Phosphatase aktiviert SPS
• Saccharose-Synthese in den source-Zellen (Blätter) Geleitzellen → Langstreckentransport über Siebelemente des Phloems Geleitzellen Abbau in → sink-Zellen
• während Langstreckentransport findet aktives Zurückpumpen der Saccharose, die durch Diffusion verloren gehen könnte, statt
• Export in sink-Organe auf verschiedene Weise ◦ Saccharose-spaltende Enzyme:

▪ Invertase: Saccharose ⇔ Glucose + Fruktose

▪ Saccharose-Synthase (SuSy): Saccharose ⇔ UDP-Glucose + DFruktose

Question 9

Regulation der Saccharose-Synthese

Answer 9

• Saccharosegehalt in Blättern fällt bereits ab, bevor die Nacht beginnt cir → - cadianer Rhythmus
• Saccharose-Synthese findet im Cytosol statt, während Stärke-Synthese in den Chloroplasten lokalisiert ist Stoffwechselwege beinhalten teilweise die gleichen Reaktionen, dennoch von Isoenzymen katalysiert 74
• Regulation der SPS:

◦ durch Glucose-6-Phosphat positiv reguliert G-6-P inaktiviert SnRK1 SPS bleibt aktiv →

◦ durch Phosphat gehemmt Phosphat hemmt SPS-Phosphatase SPS bleibt inaktiv Hemmung der Saccharose-Synthese

Question 10

Metabolismus und Transport von Kohlenhydraten im Mesophyll?

Answer 10

• tagsüber [A]: Zwischenspeicherung der Photoassimilate in From von transitorischer Stärke in Chloroplasten Export der Photoassimilate hauptsächlich über → Phosphat-Translokator ins Cytoplasma

◦ Transportform Saccharose im Cytosol hergestellt → ins Phloem geladen Transport ins sink-Gewebe

• nachts [B]: transitorische Stärke wird abgebaut → mobilisiert zu Maltose abgebaut über MEX1-Transporter ins Cytoplasma abgegeben zu Saccharose umgewandelt

◦ auch nachts verminderte Phloembeladung mit Saccharose Transport in sink-Organe bis Speicher der transitorischen Stärke aufgebraucht ist