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Protonen-Pumpen

Säuregrad von Wein ist durch Protonen bestimmt

11.02.2010 | Redakteur: Doris Neukirchen

Zelle aus einem Blatt der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), befreit von ihrer Zellwand (A). Wird auch noch die Zellmembran entfernt, bleibt die große Vakuole übrig (B), die dann für Pumpstrommessungen mit der Patch-Clamp-Technik zugänglich ist. Gibt man ATP als Energielieferanten hinzu, steigt der Transport von Protonen in die Vakuole an (C). Bild: Rainer Hedrich
Zelle aus einem Blatt der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), befreit von ihrer Zellwand (A). Wird auch noch die Zellmembran entfernt, bleibt die große Vakuole übrig (B), die dann für Pumpstrommessungen mit der Patch-Clamp-Technik zugänglich ist. Gibt man ATP als Energielieferanten hinzu, steigt der Transport von Protonen in die Vakuole an (C). Bild: Rainer Hedrich

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Ohne die Protonen-Pumpen der Pflanzen gäbe es im Wein keine Säure. Wichtig sind diese Pumpen generell für die Vitalität von Pflanzen, wie Forscher aus Würzburg und Heidelberg in der Zeitschrift „Proceedings“ der Akademie der Wissenschaften der USA berichten.

Würzburg – Bei der Photosynthese produzieren Pflanzen in der Regel mehr Nährstoffe als sie selber brauchen. Den Überschuss lagern sie ein – unter anderem in ihren Vakuolen. Diese Vorratskammern machen in den Zellen 70 bis 90 Prozent des Volumens aus. Sie sind mit einer wässrigen Lösung von Ionen und Nährstoffen gefüllt und von einer Membran umgeben. Zuckerrüben häufen in ihren Vakuolen Zucker an, Weintrauben und andere Früchte speichern dort zusätzlich zum Zucker auch Fruchtsäuren. Mit welchen Inhaltsstoffen die Vakuolen gefüllt werden, hängt von der Ausstattung ihrer Membranen mit speziellen Transportern ab. Denn einfach so gelangen Zucker und Säuren nicht in die Vorratskammern hinein – die Pflanze verfrachtet sie gezielt dorthin, und das gelingt ihr nur mit der Hilfe von Protonen-Pumpen.

Wie die Säure in den Wein kommt

Unter Aufwendung von Energie schaffen diese Pumpen Protonen in die Vakuole hinein. „Der Säuregrad von Wein zum Beispiel geht allein auf die im Vakuolensaft angehäuften Protonen zurück“, sagt Professor Rainer Hedrich, Biophysiker an der Universität Würzburg. Rund 90 Prozent des Traubensafts stammen aus den Vakuolen. Die Aktivität der Pumpen sorgt dafür, dass die Vakuole viel mehr Protonen enthält als der Zellsaft. In diesem Konzentrationsgefälle steckt Energie – die Protonen drängen mit aller Macht wieder hinaus aus der überfüllten Vakuole, ähnlich wie Luft aus einem prall aufgeblasenen Ballon. Hier kommen nun die speziellen Transporter ins Spiel, die in der Vakuolenmembran sitzen: Sie nutzen den energetisch begünstigten Ausstrom von Protonen, um nach dem Austauschprinzip gleichzeitig Zucker und andere Moleküle in die Vakuole zu schaffen. „Dieses schrittweise Umsetzen von Energie ist ein allgemeines Prinzip in der Biologie. Speicherorgane wie Zuckerrüben und Früchte, aber auch Blätter können damit Inhaltsstoffe um das Hundertfache und darüber hinaus anreichern“, so Hedrich. Die Pflanzen schaffen sich auf diese Weise wertvolle Ressourcen für Zeiten, in denen Mangel herrscht – zum Beispiel nachts, wenn die Photosynthese zum Erliegen kommt. Wie wichtig Protonen-Pumpen für die Vitalität und die Produktivität von Pflanzen sind, beschreiben Rainer Hedrich und Professorin Karin Schumacher von der Universität Heidelberg gemeinsam in der Zeitschrift „Proceedings“. Die beiden Wissenschaftler kooperieren in einer überregionalen Vakuolen-Forschergruppe, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziell gefördert wird.

Originalveröffentlichung: Arabidopsis V-ATPase activity at the tonoplast is required for efficient nutrient storage but not for sodium accumulation. Melanie Krebs, Diana Beyhl, Esther Görlich, Khaled A. S. Al-Rasheid, Irene Marten, York-Dieter Stierhof, Rainer Hedrich, and Karin Schumacher; Proc Nat Acad Sci (USA), published online before print January 26, 2010; doi:10.1073/pnas.0913035107

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