Das Verhalten von Hill-Reaktion und Photophosphorylierung isolierter Chloroplasten in Abhängigkeit vom Wassergehalt

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Abstract
Water was removed by means of concentrated solutions from chloroplasts which were isolated from leaves of spinach and beets. During and after the dehydration Hill reaction and cyclic photophosphorylation with PMS as a cofactor were investigated. As osmotic amterial glucose, sucrose, lutrol and NaCl were used. No depression of ferricyanide reduction was obtained in 3 M sugar solution and in 2.5 M lutrol solution. These concentrations correspond to a loss of water amounting to 90% of the total water of leaf cells. In contrast, cyclic photophosphorylation was already decreased in 1–2 M solutions of sugar or lutrol, that means by much less dehydration. In 3 M solutions only 5–25% of the activity of the water saturated controls remained. However, this decrease in cyclic photophosphorylation occurred only when chloroplasts were kept dehydrated during the light reaction. When chloroplasts were permitted to return to optimal water conditions photophosphorylation was no longer inhibited. Therefore, extensive loss of water leads to reversible uncoupling of photophosphorylation from electron transport. Relatively low concentrations of NaCl (as compared with sugar concentrations) damage the ability of chloroplasts to perform Hill reaction and photophosphorylation. Inactivation of the reactions is partly reversible at low concentrations of NaCl and irreversible at high concentrations. The osmotic potential of leaves of sugar beet increased with increasing dehydration. Within a limited range the osmotic behaviour of the cell sap of leaf cells during dehydration was identical with that of NaCl solutions. The possibility of correlating in vitro experiments in which dehydration is simulated by exposure of chloroplasts to various solutions with in vivo experiments using intact leaves which are dehydrated to different degrees is demonstrated. Isolierte Chloroplasten aus Spinat- und Rübenblättern wurden mittels Lösungen verschiedener Konzentration unterschiedlich stark entwässert und während bzw. nach der Entquellung die Hill-Reaktion und die cyclische Photophosphorylierung mit PMS bestimmt. Als Osmotika hatten Glucose, Saccharose, Sorbit, Lutrol 9 und NaCl Verwendung gefunden. Die Ferricyanid-Reduktion wird selbst in 3 M Zuckerlösung bzw. 2,5 M Lutrollösung, also bei einem Wasserverlust von ca. 90% des Gesamtwassers der Chloroplasten, nicht wesentlich beeinflußt, und zwar unabhängig davon ob den Chloroplasten das Wasser vor oder während des Ablaufs der Lichtreaktion entzogen wird. Die cyclische Photophosphorylierung dagegen wird schon in 1–2 M Zucker- bzw. Lutrollösungen, also bei geringeren Wasserverlusten, herabgesetzt und weist in 3 M Lösungen nur noch 5–25% der Aktivität der nichtentwässerten Kontrollen auf. Dies ist allerdings nur der Fall, wenn die Chloroplasten während der Durchführung der Lichtreaktion stark entquollen waren. Chloroplasten, die vor Ablauf der Lichteaktion entwässert worden waren und danach wieder in optimale Wasserverhältnisse überführt worden sind, zeigten die gleiche Phosphorylierungs-Aktivität wie die Kontrollen; die durch die Entwässerung hervorgerufenen Veränderungen sind also reversibel. — Bei stärkerem Wasserverlust kommt es demnach zu einer mehr oder weniger starken reversiblen Entkopplung der ATP-Synthese vom Elektronentransport. NaCl beeinflußt im Vergleich zu den Zuckern bereits in niedrigeren Konzentrationen die Hill-Reaktion und die Photophosphorylierung beträchtlich. In Gegenwart höherer Konzentrationen an Ionen wird offenbar die Chloroplastenstruktur irreversibel verändert. Der osmotische Wert von Rübenblättern steigt mit zunehmendem Wasserverlust kontinuierlich an. Der Zellsaft verhält sich dabei ähnlich einer NaCl-Lösung, der in steigendem Maße Wasser entzogen wird. Es wird eine Möglichkeit aufgezeigt, in vitro-Untersuchungen, die in Lösungen unterschiedlicher Konzentration durchgeführt worden waren, mit in vivo-Versuchen an Blättern zu vergleichen die in verschieden starkem Ausmaß Wasser verloren haben.