Photosynthese und Chlorophyll wirken viel enger zusammen als bekannt

Die Photosynthese der Cyanobakterien, Algen und Pflanzen gehört zu den wesentlichen Prozessen der Energiegewinnung auf unserem Planeten. Sie ermöglicht das Leben aller höher entwickelten Organismen.

Durch sie werden energiereiche organische Verbindungen mit Hilfe des Sonnenlichts aus anorganischem Kohlenstoff, dem gasförmigen Kohlendioxid (CO2), produziert.

Alle Lebewesen – auch Menschen und Tiere – sind für ihre Nahrungsaufnahme direkt oder indirekt auf die durch Photosynthese produzierten organischen Produkte in Form von Kohlenhydraten und Fetten angewiesen. Aber natürlich auch auf das lebensnotwendige Nebenprodukt der Photosynthese: den molekularen Sauerstoff.

Ermöglicht wird die Photosynthese durch das Molekül Chlorophyll. Dieses Pigment absorbiert Anteile des sichtbaren Sonnenlichtes und kann deren Energie in biochemische Energie umwandeln. Diese Verknüpfung zwischen den Photosynthese-Prozessen und dem Pigment Chlorophyll gehört zum Allgemeinwissen.

Ohne Elektronentransport überleben Pflanzen nicht

Doch nun haben Dr. Pawel Brzezowski und Prof. Dr. Bernhard Grimm gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen vom Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) in Frankreich einen weiteren entscheidenden und neuen regulatorischen Zusammenhang zwischen der Chlorophyllbiosynthese und der Photosynthese entdeckt.

Sie konnten zeigten, dass die photosynthetische Elektronentransportkette, die für die Energiegewinnung erforderlich ist, für eine unverminderte (oder unbeeinträchtigte) Chlorophyllsynthese unbedingt funktionieren muss, weil ansonsten das Überleben der Pflanzen gar nicht möglich ist.

Als Forschungsobjekte dienten der Arbeitsgruppe um Bernhard Grimm Mutanten der Grünalge Chlamydomonas, die einen Defekt in dem Elektronentransfer der photosynthetischen Elektronentransportkette aufwiesen.

Dieser Defekt hemmt ein entscheidendes Enzym innerhalb der Chlorophyllbiosynthese – die Protoporphyrinogen Oxidase – und führt zu einer toxischen Photooxidation der Grünalgenmutante aufgrund von nicht verwertbaren Zwischenprodukten der Chlorophyllbiosynthese. Diese erzeugen photodynamische (oder: lichtabhängige) Schädigungen, die die Mutanten im Licht nicht überleben lassen.

Über 20 Enzyme sind erforderlich, um aus der Aminosäure Glutamat das komplexe Molekül Chlorophyll zu erzeugen. Viele der Reaktionen der Chlorophyllbiosynthese sind Oxidationen und Reduktionen, also Katalyseschritte, die entweder Elektronen benötigen oder Elektronen abgeben.

Die HU-Wissenschaftler bestätigten nun die Hypothese, dass einige dieser Enzymschritte auf die photosynthetische Elektronentransportkette als Elektronenspender oder Elektronenempfänger angewiesen sind. Damit wurde eine gegenseitige funktionelle Abhängigkeit zwischen beiden Prozessen aufgedeckt: der Photosynthese und dem Stoffwechselweg der Chlorophyllbiosynthese.

Das bedeutet: Ohne funktionstüchtigen photosynthetischen Elektronentransport ist keine ausreichende Chlorophyllbiosynthese möglich. Und natürlich hängt die Photosynthese von der Bereitstellung des Chlorophylls durch den Syntheseweg ab.

Prof. Dr. Bernhard Grimm
Humboldt-Universität zu Berlin
Lebenswissenschaftliche Fakultät
Institut für Biologie
AG Pflanzenphysiologie
Office: Tel.: 030 2093-98330
E-Mail: sekretariat.pflaphys@hu-berlin.de

Pawel Brzezowski, Brigitte Ksas, Michel Havaux, Bernhard Grimm, Marie Chazaux, Gilles Peltier, Xenie Johnson & Jean Alric: “The function of protoporphyrinogen IX oxidase in chlorophyll biosynthesis requires oxidized plastoquinone in Chlamydomonas reinhardtii”,
veröffentlicht in: COMMUNICATIONS BIOLOGY
https://rdcu.be/bz15I
https://doi.org/10.1038/s42003-019-0395-5
https://www.nature.com/articles/s42003-019-0395-5