Schwermetalle und Pflanzen - eine komplizierte Beziehung (I)

S h ll kk l i i ildSchwermetall-Hyperakkumulation im Wilden Westenmodified from:

Vorlesung von Hendrik Küpper im Kompaktkurs Pflanzenphysiologie 2010

Schwermetall-Mangel als globales Problem der Landwirtschaft

grün = moderater Zinkmangel; rot = starker Zinkmangel

Aus: Alloway BJ. 2001. Zinc the vital micronutrient for healthy, high-value crops. Brussels, Belgium: International Zinc Association.

Die Dosis macht das Gift - auch bei Schwermetallen!

Metalle in photosynthetischen Proteinen

FNRFe3+/2+FNR

P700*

Mg2+

A0, A1

Antenna Chl-protein Fd

FxFA, FB

P700*

P680*QA

4 h·ν

Chl-protein complexes,

main protein:LHCII

FdPhe

PQFe

QB

ChlChlChl

LHCII4 h·νcyt b559,cyt c

PQ

electron transport

B Cyt b6/fcomplex

EETChl

excitationChl

ChlChl cyt c550 PC

p

P700

P680

excitation energy transfer Ca2+ Cu+/2+

2 H2O O2 + 4 H+WSC 4 e-

Ca Cu /2

Mn3+/4+

Mechanismen der Metal-Aufnahme in Pflanzen:Aufnahme in die Wurzel und intrazelluläre Verteilungg

Beispiel: Eisen- un Zink-Aufnahem in Brassicaceae

root uptake

intracellularintracellular distribution

From: Colangelo EP, Guerinot ML, 2006, CurrOpinPlantBiol9:322-330

4 Hauptfamilien von Schwermetall-Transportproteinen: P1B-typ ATPasen (im Menschen z.B. Menkes- und Wilson-Protein!) Cation diffusion facilitators (CDF-transporter) Cation diffusion facilitators (CDF-transporter) ZRT-/IRT-like proteins (ZIP-Transporter) Natural resistance associated Macrophage proteins (Nramp-Transporter)

Mechanismen der Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (I)CPx-typ (=P1B-typ) ATPasenCPx-typ (=P1B-typ) ATPasen

Aufgrund von Expressionsstudien vermutete Funktionen

Translokation in das Wurzelxylem, d.h. aus den Zellen heraus ( z.B. HMA4) Xylementladung im Sproß Xylementladung im Sproß Intrazelluläre Metal-Sequestrierung

z.B. in der Vakuole (vermutet!) Transport in die Chloroplasten in den Transport in die Chloroplasten, in den

Chloroplasten in die Thylakoide Transport in den Golgi-Apparat

From: Williams LE, Mills RF, 2005, TrendsPlantSci10, 491-502From: Argüello JM et al., 2007, Biometals,

DOI 10.1007/s10534-006-9055-6

Mechanismen der Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (I)CPx-typ (=P1B-typ) ATPasenCPx-typ (=P1B-typ) ATPasen

From: Williams LE, Mills RF, 20052005,

TrendsPlantSci 10,491-502

Sequenz-Charakteristika Vorhergesagte Struktur(Nur A P und N Domäne kristallisiert von bakteriellen Proteinen)(Nur A, P, und N-Domäne kristallisiert von bakteriellen Proteinen)

CPx-Motiv in der 6ten vorhergesagten Transmembranhelix ( Name!) Variable Anzahl von Transmembranhelices EXTREM VIELE Hi tidi d C t i i d S ( B 58 C i T HMA4) EXTREM VIELE Histidine und Cysteine in der Sequenz ( z.B. 58 Cys in TcHMA4) Vermutliche Metallbindestelle am N-Terminus (im Cytoplasma?) Histidin-Wiederholung at C-terminus (im Cytoplasma?)

Mechanismen der Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (II)ZIP-TransporterZIP-Transporter

Wahrscheinliche Funktionen (angede tet d rch E pressionsst dien)(angedeutet durch Expressionsstudien)

• Aufnahme von Metallen in Zellen über die Cytoplasmamembran

From:Guerinot ML 2000 BBA 1465 190 8

• Kommen in allen Eukaryoten vor

From:Guerinot ML, 2000, BBA 1465, 190-8

Struktur vorhergesagt aus der Sequenz• meist 8 Transmembranhelices, eine lange variable

Region der Vorhersage zufolge im CytoplasmaRegion, der Vorhersage zufolge im Cytoplasma• 309-476 Aminosäuren

Aus Hefe-Expressionsstudien ermittelte Charakteristika

• Hohe Affinität und sättigbare Kinetik für selektiertes Metall (z.B. Zn in ZNT1)

• Weniger hohe Affinität für verwandte andereWeniger hohe Affinität für verwandte andere Metalle (z.B. Cd in ZNT1)

From:Pence NS et al., 2000, PNAS 97, 4956-60

Mechanismen d. Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (III)Natural resistance associated macrophage proteins (Nramps) atu a es sta ce assoc ated ac op age p ote s ( a ps)

Vermutliche Funktionen (aus Expressionsstudien geschlossen)

Wurden entdeckt in der Immunantwort von Tieren ( Name!) V h d i ll E k t i l d Vorhanden in allen Eukaryoten, incl. des

Menschen, Pflanzen und Pilzen Spielen vermutlich eine Rolle bei der

Metallaufnahme in die Zellen und auch bei der Metallverteilung innerhalb der Zellen.

From: Nevo Y, Nelson N, 2006, BBA 1763, 609-620

Mechanismen d. Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (III)Natural resistance associated macrophage proteins (Nramps) atu a es sta ce assoc ated ac op age p ote s ( a ps)

Vermutlicher Mechanismus

Protonen-Symport mit dem elektrochemischen Gradienten treibt die Metall Translokationtreibt die Metall-Translokation gegen den Gradienten – umstritten, andere Studien schlagen Protonen-Metall Antiport vor... Metallbindung induziert die

Protonenbindung

From: Nevo Y, Nelson N, 2006, BBA 1763, 609-620

g

, , , ,

Mechanismen d. Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (IV)cation diffusion facilitator (CDF)-Transportercation diffusion facilitator (CDF)-Transporter

From: Kobae et al., 2004, PlantCellPhysiol 45, 1749-58

From: Blaudez D et al., 2003, PlantCell 15, 2911-28

Funktionen geschlossen aus Expressionsstudien (LokalisationFunktionen geschlossen aus Expressionsstudien (Lokalisation und Überexpressions/Knockout-Phänotypen)

Metall-Entgiftung Einlagerung der Metalle in intrazelleluläre Kompartimente (v.a. Vakuole)

Mechanismen d. Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (IV)cation diffusion facilitator (CDF)-Transportercation diffusion facilitator (CDF)-Transporter

From: Kobae et al., 2004,

PlantCellPhysiol 45PlantCellPhysiol 45, 1749-58

Sequenz-Charakteristika vorhergesagte Struktur VIELE Histidine 6 Transmembranhelices Vermutliche Metallbindedomäne am N-Terminus (im Cytoplasma?)Wahrscheinliche Metallbindende Histidin-Wiederholung im “Loop” (im Cytoplasma?)

Cadmium

Cadmium als Pflanzen-Nährstoff in Thalassiosira weissflogii. A, B: Wachstum der Algen. (Lane and Morel, 2000, PNAS97)

Carboanhydrase von Thalassioria weissflogii:Ein Enzym mit Cadmium im aktiven ZentrumEin Enzym mit Cadmium im aktiven Zentrum

EXAFS-Spektrum der isolierten Cadmium-Carboanhydrase (Lane et al., 2005, Nature Vol. 435)

Größe der Cadmium-Carboanhydrase im Vergleich zur normalen Zn-Carboanhydrase (Lane and Morel, 2000, PNAS Vol. 97) )( , , )

Eigenschaften und StrukturEigenschaften und Struktur der Cd-Carboanhydrase(Xu et al., 2008, Nature 452, pp 56-61)( , , , pp )

• Cd-CA kann sowohl Cd als auch Zn binden. Aktivität mit Zn etwas höher, aber Aktivität mit Cd viel höher als bei gewöhnlichen Zn-Carboanhydrasen.

•Cd-CA hat 7 α-Helices und 9 β-Faltblätter, Cd am unteren Ende einer trichterförmigen Substrat-Bindetasche

Cd2+ is über drei konservierte Aminosäurereste gebunden: 2x Cystein und 1x Histidin•Cd2+ is über drei konservierte Aminosäurereste gebunden: 2x Cystein und 1x Histidin, dazu 1x Wasser gebunden ( tetraedrische Koordination). Weitere fixierte Wassermoleküle in der Nähe

Cadmium-Mangel im Cd/Zn-hyperaccumulatorThlaspi caerulescensp

Mit 10 µM Cadmium in der Nährlösung Ohne Cadmium in der Nährlösungµ g--> gesunde Pflanzen

g--> Schaden durch Insektenbefall

Küpper H, Kroneck PMH (2004) MIBS 44 (Sigel et al., eds), chapter 5

Eisen

Eisen an der Ozeanoberfläche (oben) und in 1000m Tiefe ( )(unten)

Von: www-paoc.mit.edu

Mechanismen der Eisenaufnahme in Pflanzen:Strategien der EiseneffizienzStrategien der Eiseneffizienz

NicotianaminNicotianamin

Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Eisen im aktiven Zentrumaktiven Zentrum

Katalase SOD

Cytochrom cCytb6f

Biochemie von Eisen in Eisenzymen

Häm

Von: dasher wustl edu

Wichtige Typen von Eisen-

Von: dasher.wustl.edu

Schwefel-Clustern

Von: www.chem.ox.ac.uk

Eisen-Schwefel-Cluster im PSIRZ

Funktion des PSIRZ: P i ä L d t Primäre Ladungstrennung:

“special pair” (=P700, Chl a / Chl a’ heterodimer), entässt e- zu A0 via A (beide Chl a)

-580 mV

e- Transport via A1 (phylloquinon) und die [4Fe4S]-Cluster Fx, FA und FB zum [4Fe4S]-Cluster des Ferredoxins -705 mV

-520 mV

P700 wird Re-reduziert durch Plastocyanin-800 mV

-1000 mV

+430 mV

From: Nelson N, Yocum CF, 2006, AnnRevPlantBiol 57, 521-65

Symptome und Wirkungsmechanismen von Eisenmangel

Von: Cannabis World. http://www.overgrow.com

Kupfer

Allgemeines zu KupferAllgemeines zu Kupfer

Kupfer als essentieller Pflanzen-Nährstoff

Metallothioneins: storage and transport proteins

From: Prohaska JR, Gybina AA, 2004,

JNutrition134, 1003-6

• MTs of type I und II bind Cu+ with high affinity and seem to be involved in its detoxification.

• BUT: Main role of MTs in plants seems to be M t l di t ib ti d i th l (Metal-distribution during the normal (non-stressed) metabolism, while in animals they are more involved in detoxification and also (mainly?) bind Zn2+

Intrazellulärer Kupfertransport

Charakterisierung Cu wird intrazellulär unter normalen (nicht-toxischen) Bedingungen so effizient von

From: OHalloran TV, Culotta VC, 2000, JBC275, 25057-60

Cu wird intrazellulär unter normalen (nicht toxischen) Bedingungen so effizient von “Chaperonen” übernommen und in die Zielproteine geleitet, dass es fast kein “freies” (=nicht an spezifische Liganden sondern nur Wasser gebundenes) Kupfer in der Zelle gibtZelle gibt.

Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Kupfer im aktiven Zentrum

• Plastocyanin

•Multi-Kupfer-Oxidasen, z.B. Laccasen

Symptome und Wirkungsmechanismen von Kupfermangel

http://www.nrs.mcgill.ca/whalen/nutrient/copper/copper.html

Nickel

Allgemeines zu NickelAllgemeines zu Nickel

Nickel als essentieller Pflanzen-Nährstoff

Urease: Ein Enzym mit Nickel im aktiven Zentrum

Nickelmangel in Ni-Hyperakkumulatoren

(a)14 Thlaspi goesingense

Alyssum bertolonii

(b)30000

Thlaspi goesingense

ight

(g)

8

10

12 Alyssum bertoloniiAlyssum lesbiacum

on (µ

g g-1

)

20000

25000Thlaspi goesingenseAlyssum bertoloniiAlyssum lesbiacum

hoot

dry

we

4

6

8

conc

entra

tio

10000

15000

Sh

0

2

4

Ni c

0

5000

Ni added to the substrate (mg kg-1)

0 1000 2000 3000 4000

Ni added to the substrate (mg kg-1)

0 1000 2000 3000 4000

Alyssum lesbiacum

Küpper H, Lombi E, Zhao FJ, Wieshammer G, McGrath SP (2001) J Exp Bot 52 (365), 2291-2300

Zink

Allgemeines zu Zink

Zink als essentieller Pflanzen-Nährstoff

Zinkeffizienz

Aus: Hacisalihoglu G, Kochian, LV.How do some plants tolerate low levels of soil zinc? M h i f i ffi i i l tMechanisms of zinc efficiency in crop plants.

New Phytologist 159 (2), 341-350.

Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Zink im aktiven ZentrumZentrum

Carboanhydrase

Zinkfinger-Motiv

Tyrosin-Phosphatase

Alle Folien meiner Vorlesungen im Internet unter

http://www.uni-konstanz.de/FuF/Bio/kuepper/Homepage/AG_Kuepper_education.html

(auch zu finden über Homepage der Biologie Arbeitsgruppen Küpper)

weiterführende Literatur als pdf auf Anfrage