Das Enzym Phosphoenolpyruvatcarboxylase (PEPCase, PEPC) carboxyliert irreversibel Phosphoenolpyruvat zu Oxalacetat in Pflanzen, Bakterien und Archaeen. Es ist eine wesentliche Schaltstelle im pflanzlichen Stoffwechsel, weshalb sie bei Pflanzen als Biomarker eingesetzt werden kann. Es können verschiedene Schadbilder (Pflanzenkrankheiten mit ursächlichem Bezug zu Mangelversorgung) mit beachtlicher Genauigkeit gemessen und die Einschätzung von Waldschäden kann gegenüber der ausschließlichen Beobachtung der Zeigerpflanzen verbessert werden.

Entdeckung

1953 wurde PEPC aus Spinatblättern zum ersten Mal isoliert und in allen bereits untersuchten Pflanzen, Algen und Bakterien entdeckt, jedoch nicht in Tieren oder Pilzen. Auch in Genom von Archaeen wurde PEPC identifiziert, dieses unterscheidet sich jedoch erheblich von der PEPC aus Bakterien und Pflanzen.

Einführung

PEPC ist ein wichtiges Enzym von Bakterien, Archaeen und höheren Pflanzen, insbesondere zur reduktiven Kohlenstoffdioxid-Fixierung bei Pflanzen mit C₄- oder Crassulaceen-Säurestoffwechsel. Darüber hinaus spielt es auch eine Rolle im Metabolismus bei der Synthese von Kohlenstoffverbindungen während der Stickstofffixierung bei Leguminosen, Regelung des Turgors, Aufrechterhaltung des Ionenhaushaltes oder Regulation des pH-Wertes.

Zunächst ist man davon ausgegangen, dass die PEPC in Eukaryoten gemäß Endosymbiontentheorie ursprünglich aus Protocyanobakterien stamme. Jedoch ähneln PEPC aus Pflanzen eher denen aus γ-Proteobakterien. Entweder hat der für das Mitochondrium verantwortliche Vorgänger des α-Proteobakteriums bzw. der für den Chloroplasten verantwortliche Vorgänger des Cyanobakteriums die PEPC-Gene (ppc) via horizontalen Gentransfer (HGT) von jenem γ-Proteobakterium erhalten. Alternativ sind die PEPC-Gene aus γ-Proteobakterien relativ früh in der Pflanzengeschichte via HGT eingebracht worden.

Eigenschaften

Das Enzym ist strukturell ein Homotetramer mit vier aktiven Zentren. Es nutzt zweiwertiges Magnesium (Mg²⁺) als Cofaktor. Aus Mais und Escherichia coli liegen dreidimensionale Strukturen vor. Das Monomer besteht aus einem β-Fass mit acht β-Faltblättern und aus 40 α-Helices. Das aktive Zentrum ist am C-terminalen Bereich des β-Fasses verortet. Die aktive Seite ähnelt auch der aus Pyruvatkinase oder Pyruvat-Phosphat-Dikinase, auch wenn sie sich in ihrer Aminosäurensequenz unterscheiden.

Bei den PEPC verschiedener Organismen liegen Unterschiede vor: In höheren Pflanzen ist jede Untereinheit von PEPC bis 1.000 Aminosäuren groß (bis zu 110 kDa). Die größte berichtete PEPC-Untereinheit stammt aus der Alge Chlamydomonas reinhardtii (1.221 Aminosäuren mit 131 kDa). Die Untereinheiten in Methanothermobacter thermautotrophicus, einem Archeon, ist 55 kDa schwer, was etwa der Hälfte der sonst anzutreffenden Varianten entspricht. Allgemein sind archaelle PEPC viel kleiner als bakterielle oder pflanzliche PEPC.

In Pflanzen sind die ppc-Gene stark konserviert, und weisen üblicherweise 10 bis 11 Exone und 9 bis 10 Introne auf. Auch die Anordnung dieser Exone und Introne ist höchst konserviert. Die Anzahl der ppc-Gene unterscheidet sich in verschiedenen Pflanzenarten, beispielsweise sechs in Reis oder vier in Acker-Schmalwand. Zudem finden sich auch verschiedene Klassen an PEPC. So liegt in vollständig sequenzierten Genomen von Acker-Schmalwand und Reis ein ppc-Gen vor, das eher bakterieller PEPC ähnelt.

Die große Bedeutung der PEPC zeigt sich auch in ihrer Verbreitung. PEPC kommt in Methanopyrus kandleri vor, ein Archaeon das gewöhnlich in den heißen Wasserpfützen von Vulkanen lebt, was angesichts der Temperaturabhängigkeit der PEPC ungewöhnlich ist.

Nutzen

Durch die genetischen Differenzen gibt es geringfügige Abweichungen innerhalb botanisch identischer Vertreter derselben Art, was sich neben strukturellen Unterschieden auch in der messbaren enzymatischen Aktivität und bestimmten Toleranzen von Bäumen und anderen Pflanzen gegenüber Umweltgiften niederschlägt. Diese Unterschiede sind, bei ausreichend genauen Messmethoden, sehr zuverlässige Maße für den Gesundheitszustand der Pflanze.

ppc ist ein molekularer Marker, der in Wochen- bis Monatsfrist auf Schadeinwirkungen aus der Umwelt reagiert. Signifikant reagiert das Enzym auf ein (erhöhtes, und mit leicht verringerter Genauigkeit auch erniedrigtes) Stickstoffangebot sowie auf die Phosphatregulation; des Weiteren kann man zeigen, dass PEPC auf Ozon, das Magnesiumangebot sowie Schwermetalle und Pestizide anspricht. Die Ansprache ist durchaus quantitativ messbar, indem man entsprechende Klone der zu untersuchenden Pflanze als Referenz nutzt. Selbst mit künstlichen Essays (Modellsubstanzen) kann man eine für praktische Schadensbegutachtung ausreichende Genauigkeit erreichen.

Literatur

• Udo Gowik und Peter Westhoff: C₄-Phosphoenolpyruvate Carboxylase. In: Agepati S. Raghavendra, Rowan F. Sage (Hrsg.): C₄ photosynthesis and related CO₂ concentrating mechanisms. Springer, Dordrecht 2011, ISBN 978-90-481-9406-3 (Reihe Advances in photosynthesis and respiration Band 32).
• O’Leary B., Park, J. und Plaxton, WC. (2011): The remarkable diversity of plant PEPC (phosphoenolpyruvate carboxylase): recent insights into the physiological functions and post-translational controls of non-photosynthetic PEPCs. In: Biochem J. 436(1); 15–34; PMID 21524275; doi:10.1042/BJ20110078

Einzelnachweise

1. ↑ PROSITE documentation PDOC00330. Phosphoenolpyruvate carboxylase. Swiss Institute of Bioinformatics (SIB), abgerufen am 12. August 2011 (englisch). 

Weblinks

• Pyruvate metabolism - Reference pathway
• Carbon fixation - Reference pathway
• Reductive carboxylate cycle (CO2 fixation) - Reference pathway