Wie die Säure in den Wein kommt

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.

Säuregrad von Wein ist durch Protonen bestimmt

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.

Zwei verschiedene Protonen-Pumpen füllen die Vakuole

Zwei Typen von Protonen-Pumpen gibt es in der Vakuolenmembran. Der eine Typ braucht die energiereiche Phosphatverbindung ATP als Brennstoff für seine Aktivität, der andere verwendet dafür das so genannte Pyrophosphat (PP).

Die Aktivität beider Pumpen hat Rainer Hedrich erstmals gemessen – 1986 als Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen. Wie die zwei Pumpentypen miteinander in Verbindung stehen und welche relative Bedeutung ihnen zukommt, war bislang weitgehend unklar.

Um diese Fragen zu klären, haben Hedrich und Schumacher jetzt an der genetischen Modellpflanze Arabidopsis (Ackerschmalwand) die Gene für die ATP-abhängige Protonen-Pumpe ausgeschaltet. So war in den Pflanzen nur noch der andere Pumpentyp aktiv.

Ohne Pumpen: Stress senkt die Produktivität

„Unter optimalen Wachstumsbedingungen wirkte sich das Fehlen der ATP-abhängigen Pumpe zunächst nicht auf das Gedeihen der Pflanzen aus“, erklärt Hedrich. Wurden die Pflanzen aber bestimmten Stressbedingungen ausgesetzt, wie Stickstoffmangel und Schwermetallbelastung, blieben sie in Wachstum und Produktivität deutlich zurück.

Erst unter den erschwerten Lebensbedingungen machte sich das Fehlen der Pumpen bemerkbar. Mit nur einem Typ der Protonen-Pumpen kann die Pflanze ihre Vakuolen offenbar nicht mehr so gut mit Ionen und Stoffwechselprodukten füllen, dass sie gut genug gegen Stress gewappnet wäre.

Angespornt durch diese Entdeckung wollen Rainer Hedrich und Karin Schumacher als nächstes versuchen, Pflanzen zu erzeugen, die vermehrt bestimmte Protonen-Pumpen herstellen und dadurch Stressperioden besser überstehen.

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

Zur Person von Rainer Hedrich

Professor Rainer Hedrich gehört mit seinen Arbeiten über Ionenkanäle und -pumpen seit über 20 Jahren zu den weltweit bedeutendsten Wissenschaftlern auf dem Gebiet des Membrantransports. Die Faculty of 1000 stuft seine Arbeiten regelmäßig als besonders lesenswert ein. Das ISI Web of Knowledge rechnet ihn in der Sektion Animal and Plant Sciences zu den besonders häufig zitierten Forschern. Erst im Januar 2010 hat der Europäische Forschungsrat ihm einen der begehrten ERC Advanced Grants verliehen: Diese Auszeichnung ist mit 2,5 Millionen Euro dotiert.

Mit der Analyse von Ionenkanälen und -pumpen mit hoch empfindlichen biophysikalischen Verfahren ist Rainer Hedrich bestens vertraut. Im Labor des Nobelpreisträgers Professor Erwin Neher gelang ihm 1984 noch während seiner Doktorarbeit erstmals der funktionelle Nachweis pflanzlicher Ionenkanäle. Seit dieser Entdeckung mit Hilfe der Patch-Clamp-Technik hat er viele unterschiedliche Ionenkanaltypen und -pumpen sowohl in der pflanzlichen Zellmembran als auch in den Membranen verschiedener Zellorganellen identifiziert und charakterisiert. Sein Fachwissen über die molekulare und biophysikalische Analyse von Transportvorgängen macht ihn zum gesuchten Kooperationspartner in Sonderforschungsbereichen, Graduiertenkollegs und nationalen sowie internationalen Forschungsverbünden.

Kontakt

Prof. Dr. Rainer Hedrich, Lehrstuhl für Botanik I (Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik) der Universität Würzburg, T (0931) 31-86100, hedrich@botanik.uni-wuerzburg.de