“zellbiologieund physiologieder pflanzen” vorlesungsose2016 · 3 Ölkörperreifen am er...

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“Zellbiologie und Physiologie der Pflanzen” Vorlesung SoSe 2016

Prof. Dr. Jörg Kudla (u. Mitarbeiter)

Prof. Dr. Antje von Schaewen

Prof. Iris Finkemeier

www.uni-muenster.de/Biologie.IBBP/agschaewen/lehre/index.html

VL-Folien unter: Nutzer: kurs

Kennwort: olympia

25.04.2016 Das pflanzliche Endomembran-System (und zelluläre Transportprozesse)

Für das Feld der Beobachtung gilt:Der Zufall

bevorzugt den vorbereiteten Geist

Louis Pasteur, Université de Lille, Decembre 7, 1854

Dans les champs de l‘ observationle hasard ne favorise que les esprits préparés

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• Endoplasmatisches Retikulum (ER)

• Transportvesikel (mit verschiedenen Hüllproteinen), Coated Vesicles

• Golgi-Apparat (Golgi)

• trans-Golgi-Netzwerk (TGN) & Early

Endosome (EE)

• Plasmamembran (PM)

• Zellwand & Apoplast (extra-cellular

space)

• Late Endosome (PVC = Pre-Vacuolar

Compartment)

• Tonoplast (vakuoläre Membran)

• Vakuole (Zentralvakuole)

Das sekretorische System von Pflanzen

ER

Golgi-Apparat

Zellwand

Plasma-membran

Vakuole

Endosom (PVC)

Cytosol

Tonoplast

Kern

TGN

Vorlesung 2016

Abb.: aus Buchanan et al. (2000) „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“ (Amer. Soc. of Plant Physiologists).

Transport-vesikel

Transport-vesikel

cis

medial

trans

Plasmodesmen verbinden Pflanzenzellen untereinander zu einem riesigen SYMPLASTEN

Vorlesung 2016

Abb. aus Buchanan et al. (2000) „Biochemistry & Molecular Biology ofPlants“ (Amer. Soc. ofPlant Physiologists)

• ER-Verbindung zur Kern-Hülle ⇒ „ER-to-nucleus

signaling“ (z.B. bei Stress)

• Rough ER (mit Ribosomen) Protein-Import und cotrans-lationale N-Glykosylierung

• ER-Lumen ⇒ Protein-faltung, Modifikation, Kontrolle

• Speichervesikel für Neutral-fette (Oil body), od. unlösliche Proteine (Protein body)

• Organell-Verankerung am Cytoskelet (Actin-binding

domain) ⇒ Gravitropismus!

• Kommunikation (inter-

zellulär) via Plasmodesmata

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Ölkörper reifen am ER Neutralfette (Triacylglyceride) werden zwischen die äußere und innere Lipidschicht eingelagert (bilayer)

ER-LumenTri-Acyl-Glyceride(Neutral-fette)

Öl-körper

Fettsäure (TAG)-Import aus Plastiden

(in räumlicher Nähe)

Co-translationaleInsertion in äußere Membranschicht

Vorlesung 2016

Abb. aus Buchanan et al. (2000) „Biochemistry & Mol. Biology of Plants“ (ASPP).

Oleosinstabilisiert die Ölkörper-Hülle bei der Reifung

Bei Pflanzen durchzieht das ER die gesamte Zelle - einschließlich der trans-vakuolären Stränge, die den Kern mit dem kortikalen (randständigen) Plasma verbinden.Mit bestimmten Signalen versehen können auch fremde Proteine in das ER importiert und zurückgehalten werden: ⇒ ER targeting (Signalpeptid, SP)⇒ ER retention (Aminosäure-Motiv: z.B.

C-terminales -H/R/KDEL)

WICHTIG:

Über Plasmodesmata sind die meisten Pflanzen-Zellen zu einem riesigen SYMPLASTEN verbunden.

Fluoreszenz-Markierung des ER in Zellen von Tabakblättern

Das ER fluoresziert hier im Dunkeln bei Anregung von GFP (green

fluorescent protein aus der pazifischen Qualle Aequoria victoria) grün (rot, Autofluoreszenz der Chloroplasten); Zeitraffer Aufnahme erstellt mit einem confokalen Laser-Scanning-Mikroskop (cLSM; SP2, Leica).

Das ER als dynamisches Netzwerk

Vorlesung 2016

SP -KDELGFP

35S promoter::mGFP-ER

GFP-KDEL

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Vorlesung 2016

Abb. aus Buchanan et al. (2000) „Biochemistry & MolecularBiology of Plants“ (ASPP)

Das sekretorische System von Pflanzen

rough ER

Cytosol

ER-Lumen

Protein-Import und -FaltungDie Interaktion N-terminaler Signalpeptide mit dem SRP (signal recogniton particle - als quasi zusätzliche ribosomaleUntereinheit) bewirkt kurzfristig ein Anhalten der Translation.

• SRP-Rezeptor: Rezeptor in der ER-Membran, an den das arretierte Ribosom bindet (⇒ docking protein)

• SRP release hebt den Translationsarrest auf. Das Signalpeptid wird im ER-Lumen von einer Signal-Peptidaseabgespalten. Danach erfolgen post-translationaleModifikationen und Chaperon-gestützte Proteinfaltung.

• Sec61 = Translokationskomplex (wassergefüllte „Pore“ = Membrankanal)

Signal-peptid

SRP = Signal Recognition Particle

gefaltetes Protein

„docking“

Membran-verankerte Proteine und ihre Topologie

Typ I Typ II Typ III

Typ IV Typ V Typ VI

Sanger-Modell, modifiziert nach: Howell & Crine (1996). Trends in Biochemical Sciences 21: 171.

C„innen“Cytosol

Lumen„außen“

N

Lumen„außen“

GPI-Anker

N

Spaltstelle

„innen“Cytosol

N C

N

N

Apoplast/

Zellwand

bzw.

Organell-

Lumen

Anheften im ER

Abspalten im

Apoplasten

C

CCytosol

Signal-

Anker

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http://www.sigmaaldrich.com/etc/medialib/life-science/biochemicals/migrationbiochemicals1/GPI-Anchor.Par.0001.Image.580.gif

GPI-Anker (Detail)

Glycosyl-phosphatidyl-inositol-Anker, kurz: GPI-Anker

Protein

Im ER-Lumen können Zuckerbäumchen an bestimmte Asparagine (AsN, N) in der Polypeptidkette angeheftet werden. Dies erfolgt i.d.R. co-translational. Konsensus: AsN-X[Pro]-Ser/Thr (N-Glykane).

N-Glykane werden an der ER-Membran synthetisiert (Trägerlipid: Dolichol-Pyrophosphat) und im ER-Lumen mittels Oligosaccharyltransferase (OST) ‘en bloc‘ auf die wachsende Polypeptidkette transferiert.

Manche sekretierten Proteine werden im ER-Lumen glykosyliert

Vorlesung 2016

Abb. aus Buchanan et al. (2000) „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“ (ASPP).

… AsN-X-Ser/Thr …

OSTOST =Oligo-saccharyl-Transferase

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Synthese von N-Glykan-Vorstufen am „rauen“ ER

PPP

P

P

P

GDP

GDP

P P

PP

PP

PP

PP

P

UDP

mRNA

PP

UMP+UDP

GDP

GDP

GDPGDP

UDPUDP

PP

PP

N

Asn

Modifiziert nach: Abeijon & Hirschberg (1992). TIBS Vol. 17

Dolichol-Panchor

flip-flop

OST

UDP

GlcNAcManGlc

trapped

inside

activation

GPT =UDP-N-acetyl-glucosamine-dolichyl-phosphate: N-acetyl-glucosamine-1-phosphate transferase

Protein-Prozessierung, -Faltung und -Assemblierung

Das ER überwacht die Proteinreifung:

Prozessierung (Signalpeptidase), Faltung (Disulfidbrücken-Bildung etc.), und den GPI-Anker Transfer. Dabei sind verschiedene Helferproteine involviert (Chaperon-Komplexe).

Erst danach gelangen die Proteine zum Golgi-Apparat (per Vesikel-Transport), von wo aus sie auf weitere Zielkompartimente verteilt werden (Plasmamembran/Apoplast-Zellwand, Tonoplast/Vakuole).

Vorlesung 2016

Abb. Buchanan et al. (2000) „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“ (Amer. Soc. of Plant Physiologists).

Proteine, die nicht korrekt gefaltet sind müssen abgebaut werden!

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…ungefaltete Polypeptid-Kette (Primärstruktur),Bildung von α-Helices und β-Faltblätter

(als Sekundärstrukturen)

Ergebnis: Native 3D-Struktur, bzw.

multimerer Protein-Komplex

Nach Ankunft im ER-Lumen…

Faltungshelfer (Proteine, Enzyme):

• Chaperone (binden an hydrophobe Bereiche)

• Protein-Disulfid-Isomerasen (PDI, lösen S-Brücken)

• Peptidylprolyl-cis/trans-Isomerasen (PPI, Rotamasen)

erleichtern Rotation um Amidbindungen mit Prolin

⇒ Geschwindigkeit-bestimmender Schritt der Faltung!

Faltungshelfer (Proteine, Enzyme):

• Chaperone (binden an hydrophobe Bereiche)

• Protein-Disulfid-Isomerasen (PDI, lösen S-Brücken)

• Peptidylprolyl-cis/trans-Isomerasen (PPI, Rotamasen)

erleichtern Rotation um Amidbindungen mit Prolin

⇒ Geschwindigkeit-bestimmender Schritt der Faltung!

Chaperons

monitor

surface

properties!Lectin chaperons

bind to sugar

residues

Glykoproteine & Qualitätskontrolle - ERQC (ER quality control)

ER Glucosidase I: GSCI entfernt die terminale α1,2-gebundene Glukose (1 von 3)

ER-Glucosidase II: GSCII entfernt die nächste α1,3-gebundene Glukose → Calnexin bzw. Calreticulinkönnen binden (CNX ist ein membranständiges und CRT ein lösliches Lektin-Chaperon)

ER-Glucosidase II: GSCII entfernt die letzte α1,3-gebundene Glukose nach korrekter Faltung (⇒ Export).

Bei Problemen erfolgt Interaktion mit Calreticulin (lösliches Lektin-Chaperon). Dies führtzu erneuter Glukosylierung durch UDP-Glucose-Glukosyltransferase (UGGT) zum Starteneines weiteren Faltungszyklus ⇒ mehr Zeit, um korrekte Konformation anzunehmen!

UGGT, re-

glucosylation

Calnexin (CNX) & Calreticulin (CRT)

are lectin chaperones and bind to the

N-glycans & monitor surface properties

GSCI, GSCII

GSCII

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Was geschieht wenn Faltungsprobleme peristieren?

Glucosidasen

Glucosen

Faltungsproblem• falsche Konformation (Mutation)

• einzelne Untereinheit(en) fehlen

⇒ hydrophobe Oberflächen!

ER-Chaperone wie BiP binden an misgefaltete Proteine und aktivieren die sogenannte

Unfolded Protein Response = UPR

Erhöhte Expression von Chaperonen (mehr Faltungshelfer).

Wird durch Stress (Hitze, Salz, Pathogene, etc.) induziert.

Tunicamycin (hemmt N-Glykanbildung) hat eine ähnliche Wirkung!

NH2

COOH

HN

AsN

Mannosen

Protein

GlcNAc

ER stress signaling discovered in mammals and yeast

Signal integration in the endoplasmic reticulum unfolded protein responseDavid Ron & Peter Walter (July 2007) Nature Reviews Molecular Cell Biology 8, 519-529 doi:10.1038/nrm2199

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ER membrane

C C

N N

ER stress triggers Ire1 signaling (phospho-relay) & bZIP60 splicing

(removes the TM region) ⇒ cytosolic transcription factor (TF)

In the nucleus, bZIP60 induces expression of BIP

(and other stress-response genes)

ER

stress

PP

Ire1 ⇒ ER stress sensor and cell fate executor

Ire1 dimer

BiP -KDEL

ER membrane

C C

N N

BiP -KDEL

BiP (binding protein), immunoglobulin heavy chains⇒ heat shock protein (HSP70 class)

bZIP60

bZIP60

BiPpromoter

mRNA

Block der Synthese von N-Glykanen an der ER-Membran

Tin

icam

ycin

: Elb

ein

, AD

(1984)

Inhib

itors

ofth

ebio

synth

esi

sand

pro

cess

ing

ofN

-lin

ked

olig

osa

ccari

des.

CR

C C

rit.

Rev. B

iochem

. 16: 21-4

9.

Abeijon & Hirschberg (1992). TIBS Vol. 17 (modified)

PPP

P

P

P

GDP

GDP

P P

PP

PP

PP

PP

P

UDP

mRNA

PP

UMP+UDP

GDP

GDP

GDPGDP

UDPUDP

PP

PP

N

Asn

Dolichol-Panchor

flip-flop

OST

UDP

GlcNAcManGlc

trapped

inside

activation

GPT =UDP-N-acetyl-glucosamine-dolichyl-phosphate: N-acetyl-glucosamine-1-phosphate transferase

Tunicamycin (keine N-Glykane)

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Was passiert mit endgültig falsch gefalteten Proteinen?

gefaltetes Glykoproteinmit Asparagin-gebundenerSeitenkette (N-Glykan)

Interaktion mit den ER-Lektinen Calnexin und Calreticulin via terminale Glucose-Reste (Faltungszyklen)

Entfernen von terminaler Mannose (Pos. 9 - im Faltungszyklus) durch ER Mannosidase I favorisiert Assoziation mit EDEM (ER-

degradation enhancing 1,2-mannosidase-like protein) und leitet so den Abbau ein: ER-Associated Degradation (ERAD).

⇒ Slow process (Mannose-timer model - Ari Helenius, 1994)

Fagioli & Sitia (2001) Glycoprotein Quality Control in the Endoplasmic Reticulum - MANNOSE TRIMMING BY

ENDOPLASMIC RETICULUM MANNOSIDASE I TIMES THE PROTEASOMAL DEGRADATION OF UNASSEMBLED

IMMUNOGLOBULIN SUBUNITS. The Journal of Biological Chemistry, 276: 12885-12892.

9

AUS: Fagioli & Sitia (2001)

Der Abbau falsch gefalteter Proteine erfolgt im Cytosol

nach Retro-Translokation durch den Sec61-Komplex

4 Schritte: - Substrat-Erkennung Chaperone bleiben gebunden (im ER-Lumen)- Rücktransport durch Sec61-Komplex (in der ER-Membran) - Deglykosylierung mittels Protein-N-Glykanase (PNGase, im Cytosol) - Markierung poly-Ubiquitinierung (im Cytosol)- Abbau in 26S-Proteasomen

Tsai et al. (2002) Retro-translocation of proteins from the Endoplasmic Reticulum into the cytosol. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 3:246-255.

Sec61

„Pore“

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Ubiquitin-vermittelte Degradation kostet Energie

Ubiquitin: (76 aa, im Cytosol) bindet über Lysine (Lys, K) – keine Konsensus-Sequenz - an ungefaltete Proteine, in monomerer oder oligomerer Form (K48, K63,…)

Poly-Ubiquitinierung markiert Proteine i.d.R. für Abbau in Proteasomen.

Bei elektrophoretischer Auftrennung (in SDS-Polyacrylamid-Gelen) bildendie resultierenden Protein-Fragmente charakteristische “Leitern”.

„Golgi glue“

Weitere Modifikationen erfolgen im Golgi-Apparat (Golgi)(per Vesikeltransport)

cis trans 1medial 2 TGN-EEmedial 1

Rips & von Schaewen, 2006

trans 2

400distance [nm]

100 200 300 5000 600

ER

N-Glykan-Modifikation

einzelne Golgi-Zisternen trans Golgi-Netzwerk

PM

Apoplast

(Zellwand)

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Die ER-Typ „high mannose“ N-Glykane werden im G-A zu „komplexen“ N-Glykanen modifiziert:

• Glykosidasen entfernen Zucker-Reste, Glykosyltransferasen heften NEUE an.

• Pflanzliche N-Glykane unterscheiden sich von Pilzen und Tieren (⇒ immunogenes Potential)

• Nicht alle N-Glykane sind nach Proteinfaltung zugänglich (⇒ „micro“-Heterogenität)

N-Glykan-Modifikation im Golgi-Apparat

Vorlesung 2016


Man I

entfernt

Mannose-

Reste

GnT I

addiert

GlcNAc-

Rest

Man II

entfernt

Mannose-

Reste

XylT, FucT

& GnT II

addieren

Reste

GalT &

FucTc ⇒

Lewis a-

Epitope

Hexos-

aminidasen

entfernen

GlcNac

Sekretion

Vakuole

erhöht die Zugänglichkeit von Xyl und core Fuc

Verzweigung

am α1,6 –

Mannose-Arm !

Beispiel für Mikro-Heterogenität

ER-Typ „high mannose“ N-Glykane (in Taschen) ca. 2 kDa

Reife/prozessierte„complex type“N-Glykane (Oberfläche)ca. 1,3-1,7 kDa

AvS, 2009

SP

nach

Faltung

im ER

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„high mannose“ Glykane in allen Eukaryonten

Pflanzliche N-Glykane des „komplexen“-Typs sind immunogen

Xyl- & Fuc-spezifische Antikörper

„komplexe“ Glykane in Pflanzen

„komplexe“ Glykane in Tieren

Arabidopsis cgl1-Mutante(complex glycosylation-less1)

von Schaewen et al. (1993),Kang et al. (2008), Frank et al. (2008)

cgl1-Mutanten

„complex glycan“-Spezifisches Kaninchen-Antiserum

bindet nicht anGkyoproteine

Gesamtprotein Immunoblot

RubisCOLSU (Blatt)

Sekretorische Proteine & Vesikeltransport

Vorlesung 2016


ER-residente Chaperone, z.B.

zur Vakuole

zur Zellwand

Wie ist Verbleib im ER möglich?

Lösliche Proteine tragen ein C-terminales Signal für ER retention / retrieval (in Pflanzen -H/K/RDEL).

Ein spezifischer MEMBRAN-Rezeptor bindet diese Motive und bringt „entwischte“ Proteine von der cis-Seite des Golgi-Apparates zum ER zurück (retrograde protein

transport).

BiP -KDEL

Frage: Wie finden Vesikel zu

ihren ihre Zielorten?

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…wider das Chaos

in Zellen…

Aus: „Frankfurter Allgemeine“ vom 17.10.2013

Säugerzellen Nervenzellen Hefezellen

Nobel-Preis 2013für „Medizin oder Physiologie“

SNAREs (SNAP-Rezeptoren) sind integrale Membranproteine auf der Oberfläche von Vesikeln und Zielorganellen

SNAP = Soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor Attachment Protein

Das sogenannte SNARE-System

Vorlesung 2016


Rab: GTP-bindende Proteinfamilie (GTPasen) fungieren als molekulare

Schalter im Vesikel-Transport.

GTP-Hydrolyse treibt die Fusionszyklen zwischen Vesikel- und Ziel-Membranen an (in Zellen muss es entsprechend viele verschiedene SNARE-Paare geben!)

• v-SNAREs: auf Vesikel-Membranen

• t-SNAREs: auf „target“-Membranen

N-ethylmaleimide, (NEM) bindet an Cystein-Reste

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Der Golgi-Apparat & das trans-Golgi-Netzwerk (TGN)

Membranproteine und exponierte Hüllproteine (COPs, coat proteins) helfen beim Sortieren der transportierten Fracht:

z.B. bei Vesikel-Bildung, Abschnürung, Transport und Zielfindung:

• COP-Hüllen (ER und Golgi-Apparat)

• „glatte“ Hülle (zur Plasmamembran, Apoplast & Zellwand) Sekretion ⇒ default

• Clathrin-Hülle (zur Vakuole bzw. Tonoplast) ⇒ Rezeptor-vermittelt

Vorlesung 2016


„cis“

„trans“

Zellwand(PM) Vakuole

(Tonoplast)

TGN-EE(pH-Abfall)

Golgi-„Stapel“

mit Vesikeln

Golgi-Matrix (in Pflanzen)

ER-Golgi-Transport-

Vesikel

Clathrin-Hülle

„glatte“Hülle

COP-Hülle

„protein sorting“

Golgi-Stapel bewegen sich in Pflanzen

In Pflanzenzellen ist der Golgi-Apparat über die gesamte Zelle verteilt (also „dispers“ organisiert).

Wie die Zeitraffer-Aufnahme zeigt, stehen Golgi-Stapel kaum still.

Man kann charakteristische „stop-

and-go movements“ beobachten, die wahrscheinlich der Aufnahme von Fracht dienen ⇒ Stoppen an ER-export sites (ERES).

GFP-Markierung von Golgi-Stapeln in Tabakzellen.

Durch Fusion einer Glykosyltransferase mit GFP leuchtet der GA grün (rot, Autofluoreszenz v. Chloroplasten; Aufn. Stephan Rips )

Vorlesung AvS 2016

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shortfull

ER- und Golgi-Dynamik in Mesophyllzellen transgener Tabak-Pflanzen

ER

Golgi-Apparat

Serie auf der Stelle Serie durch die Zelle

The principle of receptor-mediated protein transport

Acceptor

compartment

releasebinding

Donor

compartment

recycling

sorting

VSR-ligand interaction is reversible, VSR transport is bi-directional

Courtesy of Dr. Peter Pimpl, Tübingen

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Vesikel-Verkehr im sekretorischen System

Vorlesung 2016


ER Golgi-Apparat

trans-Golgi-Netzwerk(TGN-EE)

PM &Zellwand

LytischeVakuole

Speicher-vakuole

Kernhülle

PVC (Endosom)

[frühes Endosom]

Endozytose-Vesikel

sekretorischeVesikel

Transport-Vesikel

„retrograder“ Weg

„anterograder“ Weg

Rot = Grad der Ansäuerung

!

Protein-Sortierung im TGN (nach Faltungskontrolle im ER & N-Glykan-Modifikation bei Passage des GA)

Aminosäure-Sequenzen (bzw. Protein-Domänen) entscheiden über Sekretion (in den Apoplasten) oder Transport zur Vakuole

(in Tieren sind auch N-Glykane [Man6P] am Transport zu Lysosomen beteiligt)

Präpeptid-Abspaltung(Signalpeptid, im ER-Lumen)

Propeptid-Prozessierung(vss = „vacuolar sorting signal“, in der Vakuole)

Vorlesung 2016


„reifer“ Proteinbereich

„reifer“ Proteinbereich

Invertase als Beispiel für verschiedene Isoformen mit Prä-/ bzw. Prä-Pro-Peptiden

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Vakuolen

Lösliche Proteine gelangen i.d.R.

vom ER über den Golgi-Apparat,

Endosomen und das „prävakuoläre

Kompartiment“ (PVC) in lytische

Vakuolen (z.B. lytische Enzyme

vakuoläre Invertase,

Speicherproteine, Lektine, Protease-

inhibitoren,, etc.)

Vakuole

PVCManche Zellen enthalten verschiedene Vakuolentypennebeneinander:

- Saure Vakuolen (lytisch, für Stoff Um- und Abbau) - Neutrale Vakuolen (PSV, als Protein-Speicher)

sekretierte

Invertase

etc.

vakuoläre

Invertase,

etc.

sauer

neutral

MERKE:

Proteine können über unterschiedliche

Wege in PSV gelangen.

Protein-Speicher-Vakuolen (PSV) im Samen-Endoperm

Aleuron Zelle

V1, große Speichervakuole

V2, kleine lytische Vakuolen

A) Dichte Vesikel

B) Autophagie

Protein-Speicher-Vakuole

GArER

Vesikelfusion

PB-ER (protein body ER)

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Beispiel: Speicherproteine des Reis-Endosperms

Prolamine 5% (Alkohol-löslich) kommen nur bei Monokotylen vor und fallen direkt nach Import und Faltung im ER-Lumen aus (akkumulieren zunächst dort).

Globuline 80% (Wasser-löslich) gelangen über den Golgi-Apparat in die PSV.

Indiz: Speicherproteine mit entweder rein ER- bzw. Golgi-typische N-Glykanen.

Vorlesung 2016Abb. Buchanan et al. (2000) „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“ (Amer. Soc. of Plant Physiologists).

Nur ER-Typ

„high man“

N-Glykane

(GA bypass)

GA-Typ

„complex“

N-Glykane

Die pflanzliche Zellwand (Apoplast)

Ap

op

las

t

Cytosol

PM

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Zusammenwirken

mehrerer Mechanismen:

Cellulose-Microfibrillenwerden DIREKT an der Plasmamembran synthetisiert.

Zellwand-Biosynthese (im Apoplasten)

Vorlesung 2016

Abb. Buchanan et al. (2000) „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“ (Amer. Soc. of Plant Physiologists.

Zellwand-Proteine sowie

Oligosaccharide (nach Synthese

von Pektin- und Xyloglukan-

Vorstufen im Golgi-Apparat)

gelangen mittels Vesikel-

Transport in den Apoplasten.

Ihr Polymerisationsgrad im

Apoplasten wird von Enzymen

und ihren spezif. Inhibitoren

reguliert (z.B. Pektin-Methyl-

Esterase PME und PMEI)

→ dient der Schleimproduktion, (z.B. in der Wurzelhaube)

Cellulose-Synthase „Rosetten“-Komplexe

Zusammenlagerung zu Cellulose-Mikrofibrillen

⇒ Zellwand-GERÜST

Cellulose-Synthase:6 Untereinheiten bilden

einen Komplex („Rosette“) in der Plasmamembran

Die Biosynthese von Cellulose (β1→4 Glukan)

erfordert aktivierte Glucose (UDP-Glc)

„Rosetten“-Komplex aus 6 Cellulose-Synthase Untereinheiten(Primärwand: 2x CeS1, 2x CeS3 , 2x CeS6)

Cellulosefaser (β1→4 Polyglukan)

Saccharose

Triose-Phosphat(Photosynthese)

UDP-Glc+ Fru

Plasma-membran

„innen“

Cytosol

Apoplast

„außen“

parakristalline Mikrofibrille

⇒ „strong sink“

für Kohlenhydrate Saccharose

Synthase

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Im Golgi-Apparat werden verschiedene Oligo-

saccharid-Vorstufen für die Zellwand-MATRIX gebildet.

Hemicellulose-Vorstufen

(links, verzweigte

Xyloglukan-Ketten)

bzw.

Pektin-Vorstufen

(rechts, mit sauren Zuckern,

z.B. Galacturonsäure)

Später können die sauren Zuckerreste miteinander über divalente Kationen

(Ca2+, B3+) verbunden oder maskiert sein (Methyl-ester)

⇒ versch. Härtegrad!

Synthese von weiteren Oligosacchariden im Golgi-Apparat

Xyloglukan-Synthese Pektin-Synthese

Zellwand

Vorlesung 2016


AGPs (Arabino-Galaktan-Proteine) - wichtig für die Entwicklung!

Extensine (Hydroxyprolin-reiche Proteine) - mechanische Wand-Eigenschaften, Signaling!

Vorlesung 2016

Abb. Buchanan et al. (2000) „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“ (Amer. Soc. of Plant Physiologists.

Glykoproteine der Zellwand

Proteoglykane hoher Zuckeranteil, aber über OH-Gruppen verknüpft (d.h. via hydroxy-Pro und Ser/Thr)

AGP

Tomaten-Extensin (O-glykosyliert)

Linker-Region

Ceramid =

Abspaltung

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Receptor-mediated MAPK signaling in plant growth & development

Figure 1

Xu & Zhang Trends in Plant Science (2015) 20, 56-64. DOI: (10.1016/j.tplants.2014.10.001) Copyright © 2014 Elsevier Ltd Terms and Conditions

Figure 2

Copyright © 2014 Elsevier Ltd Terms and ConditionsXu & Zhang Trends in Plant Science (2015) 20, 56-64. DOI: (10.1016/j.tplants.2014.10.001)

Receptor-like kinases (RLKs) perceive & transmit extracellular cues

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Zusammenfassung:

Rolle des ER

• Protein-Import, N-Glykosylierung, Faltungskontrolle (ERQC), Export bzw. Abbau (ERAD), Retro-Translokation in das Cytosol und De-glykosylierung, Lysin-Ubiquitinierung und Abbau im Proteasom.

• Membranfluss (Lipide), anterograder und retrograder Vesikel-Transport ⇒ Zellwachstum (per Vesikelfusion mit Plasmamembran)

• Sekretion von hydrolytischen Enzymen in die Zellwand (Pathogen-Abwehr) und Sortierung in Valuolen (Stoff Um-/Abbau, Speicher)

• Bildung von Ölkörpern und Proteinspeichervakuolen (PSV) im Endosperm von Samen (Energie und Stickstoff für Nachkommen)

Zusammenfassung:

Rolle des Golgi-Apparates

• Modifikation von N-Glykanen (sekretierte Glykoproteine)

• Sekretion zur PM (default) Protein-Sortierung im TGN (zur Vakuole)

• Membran-Modifikation (z.B. Sterolbiosynthese am trans-Golgi/TGN)

• Synthese von Pektin- und Hemicellulose-Vorstufen (Zellwand-Matrix)

• „Schleim“-Produktion und Sekretion (z.B. Wurzelhaube)

Rolle des Apoplasten

• Zellwand-Synthese/Wachstum/Modifikation

• Transportweg für Saccharose (Hormone)

• Stress und Entwicklung „Signaling“ (nach Wahrnehmung)

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Protein-Transport in Pflanzen

Sortieren der ER-importierten Proteinfracht (im TGN), gilt auch für integrale Membranproteine!

• Transport-Vesikel finden ihre Zielmembran durch Hüllproteine:

• COP II: anterograder Transport

• COP I: retrograder Transport

• „smooth“: zur Plasmamembran

• Clathrin-coated: Sorting, Vakuolen-Transport (TGN) und Endozytose (PM)

Merke: Das SNARE-System ermöglicht die (energieabhängige) Fusion von Vesikel- und Ziel-Membranen!

Vorlesung 2016


Plastiden und Mitochondrien

Kern-kodierte Proteine werden im Cytosol an freien Ribosomentranslatiert und post-translational(ungefaltet) über die innere Hüllmembran transportiert.

Chaperone helfen beim Import:

Holdase-Funktion verhindert vorzeitiges Falten im Cytosol

Foldase-Funktion unterstützt Proteinfaltung im Stroma (nach Abspalten des Transitpeptids), sowie die Assemblierung von Komplexen.

Beispiel: Ribulose-1,5-bisphosphat Carboxylase/Oxygenase = RubisCO, aus 8 großen (LSU, Plastom-kodiert) und 8 kleinen (SSU) Untereinheiten.

Vorlesung 2016


Abgrenzung:Protein-Import endosymbiontischer Organellen

RubisCO

LSU

RubisCO

SSU

Holdase

Foldase

“zellbiologieund physiologieder pflanzen” vorlesungsose2016 · 3 Ölkörperreifen am er...

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