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FORSCHUNG/129: Was macht der Schwefel in der Zwiebel? (Uni Heidelberg)


Ruperto Carola - Forschungsmagazin der Universität Heidelberg, 3/2006

Was macht der Schwefel in der Zwiebel?

Von Prof. Dr. Rüdiger Hell


Reaktionsfreudig, allseits verfügbar und äußerst vielseitig - seine besonderen Eigenschaften machen Schwefel zu einem wichtigen Element biologischer Systeme, von urtümlichen Bakterien über Pflanzen bis hin zum Menschen. Rüdiger Hell vom Heidelberger Institut für Pflanzenwissenschaften erläutert die Bedeutung von Schwefel in der belebten und unbelebten Natur und stellt dar, wie die neuesten Erkenntnisse zum Schwefelstoffwechsel dazu beitragen, Pflanzen mit verbesserten Eigenschaften zu züchten.

Schwefel ist ein entscheidender Baustein des Lebens und an fundamentalen chemischen Prozessen beteiligt. Beispielsweise an so genannten Redox-Reaktionen: Dabei wird durch Elektronentransfer ein Partner oxidiert und der andere reduziert. Auf den Redox-Reaktionen von Schwefelverbindungen basieren maßgeblich Photosynthese und Atmung. Schwefel und Eisen, wird spekuliert, fungierten bei der Entstehung des Lebens auf der Erde als erste Elektronentransportsysteme. In den Jahrmillionen der Evolution hat die Natur das reversible Übertragen von Elektronen und die Reaktivität reduzierter Schwefelverbindungen vielfach biochemisch weiterentwickelt. So enthalten die Aminosäuren Cystein und Methionin, das Tripepbd Glutathion und mehrere Vitamine Schwefel alles lebenswichtige Verbindungen, die direkt oder indirekt zu entscheidenden Grundfunktionen der Zellen beitragen. Sie finden sich in allen Lebensformen, aber nicht alle Organismen können sie selbst herstellen: Der Mensch etwa muss die für sein Überleben unerlässlichen Schwefelverbindungen aus pflanzlichen und tierischen Nahrungsquellen aufnehmen. Pflanzen wiederum haben Schwefel in Abwehrstoffe eingebaut, mit denen sie sich gegen Fraßfeinde verteidigen und pathogene Mikroorganismen abwehren. Die geruchs- und geschmackstypischen Inhaltsstoffe von Zwiebel und Knoblauch beispielsweise enthalten reduzierten Schwefel. Auch Senf und Raps besitzen schwefelhaltige Inhaltsstoffe, die "Glucosinolate". Deren Abbauprodukte sind giftig für Pilze, die Pflanzen schädigen; den Menschen können sie vor Krankheiten bewahren: Sulforophan heißt das Abbauprodukt eines schwefelhaltigen Inhaltsstoffs, der sich in Broccoli findet und das Risiko, an Prostatakrebs zu erkranken, bei regelmäßigem Verzehr reduziert.

Schwefel ist jedoch nicht nur für die belebte Natur bedeutend. Auch in der Atmosphäre spielen Schwefelverbindungen eine wichtige Rolle. Eine der beiden in der Atmosphäre vorkommenden Schwefelverbindungen wird von einzelligen Meeresalgen gebildet, die in sehr großer Anzahl im Plankton vorkommen. Sterben diese Algen ab, wird ein Abbauprodukt, das flüchtge Dimethylsulfid, frei. Ein Teil davon gelangt in die Atmosphäre und wird zum Mitspieler im globalen Schwefelkreislauf.

Die zweite atmosphärische Schwefelverbindung entsteht unter Mithilfe des Menschen: Gasförmiges Schwefeldioxid wird frei, wenn fossile Brennstoffe verbrennen, die reduzierten Schwefel enthalten. Verbindet sich Schwefeldioxid in der Atmosphäre mit Wasser, entsteht Schweflige Säure, die abregnet und den Boden ansäuert. Auf dem Höhepunkt des "Sauren Regens" Anfang der 1980er Jahre betrug der Eintrag von Schwefel aus der Atmosphäre in einigen Gegenden Mitteleuropas bis zu 50 Kilogramm pro Hektar.

Pflanzen spielen eine wichtige Rolle im Kreislauf des Schwefels auf der Erde. Der zentrale Stoffwechselprozess dabei ist die Assimilation, die während der Assimilation erfolgende Reduktion von Sulfat zu Sulfid und der Einbau von Schwefel in die Aminosäure Cystein. Dieser Stoffwechselweg ist entscheidend für das Wachstum - und den Ernährungswert - einer Pflanze. Die Prozesse hängen eng mit der Kontrolle der "Redox-Homöostase" der Zelle zusammen, die viele interne und externe Einflüsse reaktiver Sauerstoffspezies integriert. Die assimilatorische Reduktion von Sulfat zu Sulfid und die Redox-Homöostase sind die beiden zentralen Forschungsthemen unserer Abteilung "Molekulare Biologie der Pflanzen" im Heidelberger Institut für Pflanzenwissenschaften.


Wie der Schwefel in die Pflanze kommt

Wie wird Schwefel zum Baustein von chemischen Verbindungen in der Pflanze? Nahezu der gesamte reduzierte Schwefel in Pflanzen, Tieren und Menschen stammt aus der assimilatorischen Sulfatreduktion, deren vorläufiger Endpunkt die Synthese von Cystein ist. Dieser Stoffwechselweg verläuft in aufeinanderfolgenden Schritten.

1. Zunächst wird Sulfat von der Wurzel aus dem Boden aufgenommen. Dies geschieht über bestimmte Proteine (Sulfat-Transporter), die in der Membran der Wurzelzellen sitzen. Sinkt die Versorgung mit Sulfat kurzfristig ab, können Gene, die für die Bildung der Sulfat-Transportproteine verantwortlich sind, innerhalb von 20 Minuten aktiviert werden: Die Zelle produziert dann mehr und effizienter arbeitende Sulfat-Transporter, um so die Aufnahme aus der Bodenlösung zu intensivieren.

2. Die Chloroplasten und Amyloplasten der Zelle stellen Energie und Elektronen in geeigneter Form zur Verfügung, damit Sulfat vollständig zu Sulfid (H2S) reduziert werden kann. Die Zwischenstufen sind Adenosin-Phosphosulfat (APS) und Sulfit; sie werden von den Enzymen APS-Reduktase und Sulfit-Reduktase bereitgestellt.

3. Sulfid wird sodann während eines zweistufigen Prozesses in die Aminosäure Cystein eingebaut - der ersten stabilen reduzierten Schwefelverbindung zur Verteilung des Schwefels in den gesamten nachfolgenden Stoffwechsel der Pflanze.

Interessant ist, dass die Sulfatreduktion ausschließlich in den Plastiden der Pflanze stattfindet; die Aminosäure Cystein hingegen kann in allen Kompartimenten (Reaktionsräumen) der Zelle mit eigener Proteinbiosynthese gebildet werden.

Die Regulation dieses Stoffwechselwegs ist entscheidend für das optimale Wachstum und die Entwicklung der Pflanze. Weil Pflanzen nahezu ständig wachsen, sind sie auf die stete Zufuhr von Wasser und Nährstoffen angewiesen. Das wechselnde Sulfatangebot im Boden und der wechselnde Bedarf an reduziertem Schwefel in wachsenden Sprossen und Wurzeln, Blättern, Speicherorganen und Samen werden bei jedem der drei nachfolgend beschriebenen Abschnitte der Assimilation aufeinander abgestimmt:

o Im ersten Abschnitt ist die Transkription (das Ablesen) derjenigen Gene, die für die Sulfat-Transportproteine in der Zellmembran zuständig sind, besonders empfindlich bezüglich der Sulfatverfügbarkeit reguliert.

o Die stärkste Kontrolle im zweiten Abschnitt erfährt der erste Reduktionsschritt, der durch das Enzym APS-Reduktase katalysiert wird. Dies geschieht über das Ablesen des APR-Gens sowie über die Redox-Steuerung der Aktivität des Proteins.

o Im dritten Abschnitt spielt die Kontrolle der Transkription eine untergeordnete Rolle. Hier reguliert der bislang einzigartige Mechanismus des Cystein-Synthase-Komplexes die Rate der Cysteinbildung. Über noch unbekannte Zwischenstufen reguliert er vermutlich auch die Transkription der regulierten Schritte in den Abschnitten 1 (Sulfattransport) und 2 (Sulfatreduktion).

Wie der Cystein-Synthase-Komplex funktioniert, wird im Heidelberger Institut für Pflanzenwissenschaften intensiv untersucht. Auf der Suche nach dem Mechanismus, der die Mengen an verfügbarem Sulfat mit dem Bedarf an Sulfid abgleicht, wurde der Cystein-Synthase-Komplex als Sensor entdeckt. Dieser Proteinkomplex besteht aus den beiden Enzymen Serin-Acetyltransferase (SAT, sechs Untereinheiten) und O-Acetylserin (Thiol) Lyase (OAS-TL, vier Untereinheiten). Er steht im Zentrum eines Regelkreises, der die Sulfidverfügbarkeit der Zelle wahrnimmt und ein bislang unbekanntes Signal sendet, wenn der Bedarf nicht gedeckt ist. SAT katalysiert die Aktivierung von Serin durch Acetyl-Coenzym A (auch eine Schwefelverbindung!) zu O-Acetylserin (OAS). OAS-TL verwendet OAS und Sulfid als Substrate, um Cystein zu bilden. Bei ausreichender Sulfatversorgung der Zelle sind alle SAT-Proteine im Verhältnis sechs zu vier mit OAS-TL Proteinen im Cystein-Synthasekomplex assoziiert, da Sulfid die Stabilität des Komplexes fördert. Außerdem umgibt den Komplex ein hoher Überschuss an freien OAS-TL-Proteinen. Die beiden beteiligten Enzyme sind jedoch durch Protein-Protein-Interaktionen gegensätzlich reguliert: SAT ist nur im Komplex hochaktiv, während OAS-TL im Komplex nahezu inaktiv ist. Dementsprechend diffundiert das Reaktionsintermediat OAS aus dem Komplex heraus. Der Proteinkomplex dient daher nicht der Weitergabe des OAS vom ersten Enzym SAT zum zweiten Enzym OAS-TL, wie man es zur Steigerung der Reaktionseffizienz eigentlich erwarten würde. Stattdessen werden OAS und Sulfid durch freie, nicht im Komplex gebundene und daher aktive, OAS-TL zu Cystein umgesetzt.


Angebot und Nachfrage

Wie sieht nun die Verbindung von Angebot und Nachfrage nach dem Proteinkomplex aus? Man kann sich folgende Situation vorstellen: Sulfatmangel kann durch mangelnde Aufnahme aus dem Boden resultieren, sodass weniger Sulfid reduziert wird. Alternativ kann eine erhöhte Nachfrage an Cystein zur Bildung von Glutathion oder Proteinen zur Folge haben, dass die Sulfidkonzentration sinkt. In beiden Fällen mangelt es an Sulfid und OAS kann nicht mehr Vollständig zu Cystein umgesetzt werden. Dies löst mehrere Effekte aus: 1. OAS akkumuliert; 2. erhöhte OAS-Konzentrationen fördern die rasche Dissoziation des Cystein-Synthase-Komplexes in einem kinetischen Mechanismus; 3. die Stabilisierung des Komplexes durch Sulfid entfällt; 4. freigesetztes SAT-Protein wird inaktiviert (beispielsweise durch Proteolyse) und OAS-TL Untereinheiten werden in aktive Proteine überführt; 5. OAS und eventuell Sulfid sind an der Übertragung von Signalen zur Induktion der Gene der Sulfat-Transporter (und teilweise auch der APS-Reduktase) beteiligt. Dadurch werden neue Transporterproteine mit erhöhter Affinität für Sulfat in die Zellmembran eingebaut, sodass Sulfat auch dann vermehrt aufgenommen und durch die Enzyme der Assimilation zu Sulfid reduziert werden kann, wenn es nur in geringen Konzentrationen vorhanden ist.

Der Regelkreis schließt sich durch die Reaktion des Sulfids mit dem akkumulierten OAS zu Cystein durch die aktiven OAS-TL-Proteine. Verringerte OAS- und erhöhte Sulfidkonzentrationen erlauben nun aber die erneute Assoziation des Cystein-Synthase-Komplexes. Durch die Bindung an OAS-TL wird wieder SAT-Aktivität ermöglicht und OAS mit einer Rate gebildet, die der Sulfidverfügbarkeit entspricht. Der Komplex ist daher Teil eines sensorischen Systems, das registriert, wenn die Sulfidkonzentration absinkt und über die erhöhte OAS-Konzentration das Wiederherstellen des zellulären Schwefelstatus ermöglicht. Die Zellen bilden in diesem System eigene regulatorische Informationseinheiten in den verschiedenen Geweben, die vermutlich die Grundlage der überlagerten Kommunikation zwischen Blättern, Wurzeln und Samen bilden. Damit verbindet die Pflanze Informationen über Sulfatangebot und Sulfidnachfrage, um optimal angepasstes Wachstum unter den jeweiligen Umweltbedingungen zu erzielen.


Strategien zur Entgiftung

Ein weiteres Beispiel für ein schwefel-basiertes System zur Integration von Signalen aus der Umwelt, das im Heidelberger Institut für Pflanzenwissenschaften bearbeitet wird, ist die Redox-Homöostase der Zellen. Mit Ausnahme bestimmter Kompartimente ist das Zellinnere elektrochemisch gesehen reduzierend. Dieses reduktive Milieu wird maßgeblich durch Glutathion bestimmt und kontrolliert. Man vermutet, dass seine Entwicklung in die Zeiten der sauerstoffarmen Uratmosphäre - vor der Erfindung der Photosynthese - zurückreicht. Erst die Aktivität der Photosynthese führte zu den heutigen Sauerstoffkonzentrationen der Luft. Da das reduktive Milieu des Zellinnern bewahrt wurde, müssen sich Zellen heute vor besonders reaktiven Formen des Sauerstoffs wie dem Hydroxylradikal schätzen, da sonst lebenswichtige Strukturen und Prozesse geschädigt werden. Stressfaktoren wie übermäßige Lichtintensität, aber auch Nebenaktivitäten der Elektronentransportketten in Chloroplasten und Mitochondrien, generieren solche reaktiven Sauerstoffspezies, die entgiftet werden müssen. Während der Evolution wurden jedoch vielfach auch Mechanismen entwickelt, um Sauerstoffspezies, die als Signale für Abwehrreaktionen dienen, gezielt zu erzeugen. Ein Beispiel ist der "oxidative burst", der ausgelöst wird, wenn eine Pflanzenzelle von einem Pathogen befallen wird. All diese Prozesse wirken auf die zelluläre Redox-Homöostase ein, wodurch die Signale auf solche Gene übertragen werden, die für Anpassungs- und Abwehrreaktionen der Pflanze sorgen.

Viele reaktive Sauerstoffspezies werden durch eine Kette von Reduktionsprozessen entgiftet, in deren Verlauf die wichtigste niedermolekulare Schwefelverbindung, das Glutathion, oxidiert wird. Durch das NADPH-abhängige Enzym Glutathion-Reduktase wird es wieder in seine reduzierte Form überführt. Darüber hinaus hat Glutathion viele weitere Aufgaben, etwa die Reaktion mit Xenobiotika als erstem Stoffwechselschritt zu deren Entgiftung. Die Synthese des Glutathions geht von Cystein aus und unterliegt einer komplexen subzellulären Kompartimentierung und Regulation, die von größter Bedeutung für die Redoxkontrolle und viele physiologische Prozesse ist. Wir untersuchen, wie Glutathion in einer Stress-Situation vermehrt verbraucht oder oxidiert wird und wie die Gene für seine Synthese und Reduktion angeschaltet werden. Außerdem kann Glutathion nicht nur innerhalb der Zellen zwischen betroffenen Kompartimenten wie Cytosol und Mitochondrien, sondern auch zwischen Spross und Wurzel transportiert werden.


Einblick in lebende Zellen

Ein wichtiger Schritt hin zu quantitativen Untersuchungen der Glutathionspiegel in lebenden Zellen und Geweben ist die Laser-Scanning-Mikroskopie von Glutathion, das zuvor mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert wurde. Schon lange wird vermutet, dass sich der Gehalt an Glutathion in verschiedenen Zelltypen unterscheidet und dass sich diese Muster in Reaktion auf Umweltreize beziehungsweise Stressfaktoren als Grundlage der Anpassungs- und Abwehrstrategie der Pflanzen verändern. Ein Beispiel zeigt die Abbildung auf Seite 14 (oben): Die Intensität der grünen Fluoreszenz bildet die unterschiedlichen Gutathiongehalte der Zelltypen einer Wurzelspitze ab. In der Abbildung auf Seite 15 (oben) wird dieser Befund mit Hilfe einer Mutante der Modellpflanze 'Arabidopsis thaliana', der Akkerschmalwand, bestätigt: Im Embryo fehlt die grüne Fluoreszenz nahezu gänzlich; dies beruht auf der Inaktivierung eines Gens der Glutathion-Biosynthese. Die Folge ist, dass diese Pflanzen einen wesentlich geringeren Glutathiongehalt aufweisen. Die Dynamik solcher Änderungen kann mit dieser Methode bis hin zur subzellulären Ebene untersucht werden. Eine wesentliche Erweiterung des mikroskopischen Darstellens solcher molekularer Vorgänge in lebenden Zellen ist die bei uns entwickelte Technik zur Messung der Redox-Homöostase in Pflanzen mithilfe fluoreszenzbasierter Sensoren.

Diese Erkenntnisse und Entwicklungen wollen wir nutzen, um die Regulationsmechanismen von Sulfat-Assimilation und Redox-Kontrolle besser zu verstehen. Besonders wichtig ist es, die Struktur und Dynamik des Cystein-Synthase-Komplexes zu ermitteln, weil bei diesem pflanzentypischen Prozess bislang nicht beschriebene gegenläufige Änderungen der beteiligten Proteinuntereinheiten stattfinden. Ebenso bedeutsam ist es, die Vorgänge zu identifizieren, die durch die Redox-Homöostase kontrolliert werden. Diese Befunde dürften weit über das Pflanzenreich hinaus für alle Organismen von Bedeutung sein. Schließlich lässt sich die Kenntnis der Regulationsmechanismen grundsätzlich nutzen, um Nahrungspflanzen mit verbesserten Eigenschaften herzustellen, sei es durch Züchtung oder durch Biotechnologie.


Autor: Prof. Dr. Rüdiger Hell, Heidelberger Institut für Pflanzenwissenschaften (HIP)
Im Neuenheimer Feld 360, 69120 Heidelberg
Telefon: (0 62 21) 54 62 84, E-mail: rhell@hip.uni-heidelberg.de


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Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

- Die Zwiebel riecht und schmeckt nach Zwiebel wegen ihrer vielen schwefelhaltigen Naturstoffe.

- Gluthation, ein schwefelhaltiges Tripeptid, kann in lebenden Zellen mit einem Farbstoff markiert werden. Das Bild zeigt die Wurzelspitze der Ackerschmalwand: Bestimmte Zelltypen enthalten unterschiedliche Mengen von Glutathion (grün); die rote Fluoreszenz zeigt die Vitalitität der gefärbten Zellen an.

- Wie die Markierung mit fluoreszierenden Farbstoffen enthüllt, unterscheiden sich die Embryonen der Ackerschmalwand in ihrem Glutathiongehalt: rechts ein normaler (Wildtyp), links ein pflanzlicher Embryo, bei dem das Gen "root meristemless 1 (rml1)" verändert ist: Es trägt die Informationen für die Bildung eines Enzyms, ohne das Glutathion nicht entstehen kann.

- Schwefel kommt in Pflanzeninhaltsstoffen in unterschiedlichen Oxiditionsstufen vor (Strukturformeln links). Meist trägt er entscheidend zum Geruch, zur Toxizität oder zur pharmakologischen Wirkung von Pflanzen bei. Links außen: der "Tränenfaktor" der Zwiebel.

- Pflanzen nehmen Sulfat aus dem Boden auf, transportieren es in den Spross und reduzieren den größten Teil in den Blättern. Innerhalb der Zellen werden die Schwefelverbindungen in unterschiedlichen Reaktionsräumen (Kompartimenten) reduziert, verstoffwechselt und gespeichert.

- Auch der Knoblauch verdankt seinen unverwechselbaren Geruch und Geschmack vor allem schwefelhaltigen Inhaltsstoffen.

- Der Weg der assimilatorischen Sulfatreduktion wird an der Verzweigungsstelle von Cystein hin zu abgeleiteten Stoffwechselverbindungen und Proteinen reguliert.


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Quelle:
Ruperto Carola - Forschungsmagazin der Universität Heidelberg 3/2006, Seite 12 bis 19
Herausgeber:
Der Rektor der Universität Heidelberg im Zusammenwirken mit der
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veröffentlicht im Schattenblick zum 29. März 2007