Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie die Säure in den Wein kommt

05.02.2010
Ohne die Protonen-Pumpen der Pflanzen gäbe es im Wein keine Säure. Wichtig sind diese Pumpen generell für die Vitalität von Pflanzen, wie Forscher aus Würzburg und Heidelberg in der renommierten Zeitschrift "Proceedings" der Akademie der Wissenschaften der USA berichten.

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

Robert Emmerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Insekten teilen den gleichen Signalweg zur dreidimensionalen Entwicklung ihres Körpers
18.10.2019 | Universität zu Köln

nachricht Das Rezept für eine Fruchtfliege
18.10.2019 | Max-Planck-Institut für Biochemie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Im Focus: Solving the mystery of quantum light in thin layers

A very special kind of light is emitted by tungsten diselenide layers. The reason for this has been unclear. Now an explanation has been found at TU Wien (Vienna)

It is an exotic phenomenon that nobody was able to explain for years: when energy is supplied to a thin layer of the material tungsten diselenide, it begins to...

Im Focus: Rätsel gelöst: Das Quantenleuchten dünner Schichten

Eine ganz spezielle Art von Licht wird von Wolfram-Diselenid-Schichten ausgesandt. Warum das so ist, war bisher unklar. An der TU Wien wurde nun eine Erklärung gefunden.

Es ist ein merkwürdiges Phänomen, das jahrelang niemand erklären konnte: Wenn man einer dünnen Schicht des Materials Wolfram-Diselenid Energie zuführt, dann...

Im Focus: Wie sich Reibung bei topologischen Isolatoren kontrollieren lässt

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien, die elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Wie sie auf Reibung reagieren, haben Physiker der Universität Basel und der Technischen Universität Istanbul nun erstmals untersucht. Ihr Experiment zeigt, dass die durch Reibung erzeugt Wärme deutlich geringer ausfällt als in herkömmlichen Materialien. Dafür verantwortlich ist ein neuartiger Quantenmechanismus, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Dank ihren einzigartigen elektrischen Eigenschaften versprechen topologische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computerindustrie, aber...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

VR-/AR-Technologien aus der Nische holen

18.10.2019 | Veranstaltungen

Ein Marktplatz zur digitalen Transformation

18.10.2019 | Veranstaltungen

Wenn der Mensch auf Künstliche Intelligenz trifft

17.10.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Insekten teilen den gleichen Signalweg zur dreidimensionalen Entwicklung ihres Körpers

18.10.2019 | Biowissenschaften Chemie

Volle Wertschöpfungskette in der Mikrosystemtechnik – vom Chip bis zum Prototyp

18.10.2019 | Physik Astronomie

Innovative Datenanalyse von Fraunhofer Austria

18.10.2019 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics