Das verhalten von hill-reaktion und photophosphorylierung isolierter chloroplasten in abh ngigkeit vom wassergehalt

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Abstract
1. Isolierte Chloroplasten aus Spinat- und Rübenblättern wurden 3 Std bei +2°C im Vakuum über CaCl2 bei Abwesenheit und bei Gegenwart verschiedener Substanzen getrocknet und nach erneutem Wiedereinquellen die Ferricyanid-Reduktion, die cyclische Photophosphorylierung mit PMS, die nichtcyclische Photophosphorylierung und der Gehalt an freien SH-Gruppen bestimmt. Außerdem wurde ermittelt, wieviel Wasser die Chloroplastenlamellen und die zugesetzten Agentien unter den vorliegenden Bedingungen beim Trocknen zurückhalten. 2. Trocknet man isolierte Chloroplasten 3 Std über CaCl2, so wird ihnen 98–99% ihres Gesamtwassers entzogen. Unter diesen Bedingungen findet Proteindenaturierung statt, was in einem Anstieg der freien SH-Gruppen und einer irreversiblen Hemmung der Hill-Reaktion und der Photophosphorylierung zum Ausdruck kommt. Diese Denaturierung kann durch Zusatz von Zuckern, löslichen Proteinen und Polypeptiden vor dem Trocknen ganz oder teilweise verhindert werden. Die Schutzwirkung dieser Stoffe ist bei niedrigen Konzentrationen mehr oder weniger linear konzentrationsabhängig. Anorganische Salze und Salze organischer Säuren vermögen die Plasmastrukturen nicht vor der Entwässerung zu schützen. Sie können im Gegenteil eine durch Zucker hervorgerufene Schutzwirkung wieder rückgängig machen. Zum Schutze der Photophosphorylierung ist in jedem Falle mehr Zucker erforderlich als zum Schutze der Hill-Reaktion; in einem ganz bestimmten Entwässerungsbereich kommt es also zu Entkopplungsvorgängen. Cyclische und nichtcyclische Photophosphorylierung zeigen grundsätzlich ein gleichartiges Verhalten. — Die kritische Grenze für die Entquellung der Plastidenstrukturen scheint bei Spinat- und Rübenchloroplasten ungefähr bei 10–15% des Gesamtwassers zu liegen. 3. Für die Schutzfunktion der Zucker und z.T. auch des Peptons und des Serumalbumins könnte das Wasser, das diese beim Trocknen zurückhalten, verantwortlich sein. 1 Mol Saccharose bindet unter den vorliegenden Bedingungen fast doppelt soviel Wasser wie 1 Mol Glucose. Parallel dazu schützt innerhalb der empfindlichen Bereiche Saccharose die Hill-Reaktion und die Photophosphorylierung doppelt so gut wie Glucose (bezogen auf gleiche Molarität). Andererseits könnten auch die Zuckermoleküle direkt eine Schutzwirkung auf die empfindlichen Enzymproteine ausüben. — Anorganische Salze und Salze organischer Säuren sind trotz z. T. bedeutenden Wasserbindungsvermögens nicht in der Lage, eine Schutzfunktion auszuüben. 4. Der Gehalt der Chloroplasten an freien SH-Gruppen bleibt bereits bei geringstem Zuckerzusatz beim Trocknen vollständig unverändert und zeigt damit keine Parallele zum Verhalten der Hill-Reaktion und der Photophosphorylierung. Offenbar sind Veränderungen im Gehalt an freien SH-Gruppen für die irreversible Hemmung der genannten Teilprozesse der Photosynthese nicht verantwortlich. 5. Auf Grund der Ergebnisse kann geschlossen werden, daß Pflanzen, die weitgehendst, auszutrocknen vermögen, ihre Austrocknungsresistenz dadurch erhöhen können, daß mit steigendem Wasserverlust in zunehmendem Maße Zucker und lösliche Proteine mobilisiert werden, die dann eine schädliche Entwässerung der Proteinstrukturen verhindern. 6. Die bei der Entwässerung von isolierten Chloroplasten erhaltenen Resultate stimmen mit den Ergebnissen überein, die beim Gefrieren von Chloroplasten erhalten worden waren. Die Plastiden reagieren also auf die verschiedenen Arten des Wasserentzugs in gleicher Weise. Daraus erklären sich zumindest teilweise viele Parallelen, die zwischen Frost- und Austrocknungsresistenz gefunden worden sind. 1. Isolated chloroplasts from leaves of spinach and beets were dehydrated by drying for 3 hours in vacuo over CaCl2 at +2°C in the absence and in the presence of different substances. After rehydration ferricyanide reduction, cyclic photophosphorylation with PSM as cofactor, noncyclic photophosphorylation and the level of free SH groups were investigated. Furthermore, the quantity of water bound under the conditions of the test by the chloroplast lamellae and by the different substances was determined. 2. Isolated chloroplasts, which were dehydrated for 3 hours over CaCl2 lost 98–99% of their water content. Under these conditions a sharp increase of SH groups occurred indicating protein denaturation. In addition Hill reaction and photophosphorylation were inactivated. The presence of sugars, soluble proteins and polypeptides during dehydration protected chloroplasts, fully or in part, against denaturation. At low concentrations of the protective substances preservation increased more or less linearly with increasing concentration. Inorganic and organic salts could not prevent the destruction of the system during dehydration. On the contrary, salts abolish the protection afforded by sugars. More sugar was required to give protection for photophosphorylation than for the electron transfer reactions of the Hill reaction. Uncoupling of photophosphorylation from electron transport therefore precedes the destruction of electron transfer due to dehydration. In principle, cyclic and noncyclic photophosphorylation showed the same behaviour. — In spinach and bett leaves, the critical limit for the dehydration of the protoplasmic structures seemed to be nearly 10–15% of the total water content. Removal of the “critical” water leads to injury. 3. The protective action of sugars and, at least in part, of peptone and bovine albumin may be explained by their ability to retain water during the drying. Under specified conditions 1 mol of sucrose binds twice as much water as the same amount of glucose. On a molar basis sucrose is twice as effective as glucose in protecting the Hill reaction. On the other hand it is also possible that sugars protect the sensitive proteins directly and specifically. — Accumulation of ions, even though these may bind as much water as neutral solutes such as sugars, is destructive. 4. No change in the SH content of the chloroplasts was obtained during dehydration in the presence of very small amounts of sugar, which is not sufficient to protect Hill reaction and photophosphorylation. In the absence of sugar a considerable increase in SH groups is observed on drying. No obvious correlation exists between the liberation of SH groups and the inactivation of Hill reaction and photophosphorylation. 5. The results demonstrate that plants resistant to high dehydration can increase their desiccation resistance through mobilisation of sugars and soluble proteins during the water loss. These substances can protect the sensitive protein structures during the dehydration. 6. The results obtained when isolated chloroplats were dehydrated with CaCl2 are consistent with those obtained in freezing experiments. In other words, the response of chloroplasts to dehydration is identical whatever the mode of dehydration is. The findings explain the similarities between frost and drought resistance observed by many different authors.