Wie sich Pflanzenzellen vor giftigen Schwermetallionen schützen

Die von der Wurzel aufgenommenen Schwermetallionen werden mit dem Transpirationsstrom in die Blätter transportiert. Liegen sie dort in freier, ungebundener Form vor, kann sich ihre cytotoxische Wirkung entfalten.

Schwermetallionen können durch die Interaktion mit funktionellen Seitengruppen von Proteinen oder durch kompetetiven Austausch von essentiellen Ionen massiv das zellbiologische Geschehen beeinträchtigen. Durch die Störung der Elektronentransportketten in Chloroplasten und Mitochondrien, wo die Photosynthese bzw. die Zellatmung stattfindet, werden das Wachstum und die Entwicklung der Pflanze stark gestört.

Pflanzen, die hohe Schwermetallkonzentrationen tolerieren sollen, müssen also über effiziente zelluläre Entgiftunsmechanismen verfügen.

Schwermetallionen (SMI) müssen zum Eindringen in den Symplasten die Zellwand überwinden. Über den direkten Weg ist dies nicht möglich - die SMI werden von dem dichten Netzwerk aus Polysacchariden und Polyphenolen absorbiert.
SMI gelangen nur in die Zelle, wenn sie über Transportproteine und -kanäle, ähnlich einem blinden Passagier, aufgenommen werden. Andere Ionen, wie z.B. SO42--Ionen, gelangen ebenfalls über solche für sie sehr spezifische Proteine in die Zelle.

Einmal in die Zelle gelangt, müssen die SMI aus dem Cytosol entfernt werden, um Schaden abzuwenden. Dazu können sie über einen Protonenantiporter direkt in die Vakuole transportiert werden.

In der Regel werden die SMIs aber zunächst mit einem geeigneten Liganden chelatiert, welcher die SMIs gleichsam wie mit Krebsscheren (griech. Chela = Schere, Zange) festhält und dadurch inaktiviert. Als Chelatoren können z. B. organische Säuren (Citrat, Malat etc.) dienen, die aus den Mitochondrien stammen.

Von großer Bedeutung für die Entgiftung von Cadmiumionen ist ihre Bindung an Phytochelatine (PCs). PCs sind ungewöhnliche Polypeptide: Sie enstehen nicht durch die Übersetzung einer Gensequenz (Translation an Ribosomen), sondern durch die enzymatische Verknüpfung von Glutathion (GSH). In den gebildeten PC-Cd-Komplexen ist das Cadmiumion von vier SH-Einheiten umschlossen. Die Biosynthese der Phytochelatine ist also sehr eng mit der Glutathionsynthese (und damit auch mit dem Cystein-/bzw. Schwefelstoffwechsel) verbunden. Die Biosynthese von Cystein findet größtenteils in Chloroplasten statt. Bis heute ist nicht geklärt, ob Cystein auch im Cytosol synthetisiert wird, oder für die Herstellung von PCs (im Cytosol) ausschließlich aus den Chloroplasten stammt.
Auch kleine, schwefelhaltige Proteine, die Metallothioneine (MTs), haben eine wichtige Rolle in der Komplexierung von cytosolischen SMI.

Die Ligand-SMI-Komplexe werden schließlich von Transportproteinen zur Entsorgung in die Vakuole gebracht.

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