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Controlled conversion of leaf starch to sucrose at night is essential for the normal growth of Arabidopsis. The conversion involves the cytosolic metabolism of maltose to hexose phosphates via an unusual, multidomain protein with 4-glucanotransferase activity, DPE2, believed to transfer glucosyl moieties to a complex heteroglycan prior to their conversion to hexose phosphate via a cytosolic phosphorylase. The significance of this complex pathway is unclear; conversion of maltose to hexose phosphate in bacteria proceeds via a more typical 4-glucanotransferase that does not require a heteroglycan acceptor. It has recently been suggested that DPE2 generates a heterogeneous series of terminal glucan chains on the heteroglycan that acts as a glucosyl buffer to ensure a constant rate of sucrose synthesis in the leaf at night. Alternatively, DPE2 and/or the heteroglycan may have specific properties important for their function in the plant. To distinguish between these ideas, we compared the properties of DPE2 with those of the Escherichia coli glucanotransferase MalQ. We found that MalQ cannot use the plant heteroglycan as an acceptor for glucosyl transfer. However, experimental and modeling approaches suggested that it can potentially generate a glucosyl buffer between maltose and hexose phosphate because, unlike DPE2, it can generate polydisperse malto-oligosaccharides from maltose. Consistent with this suggestion, MalQ is capable of restoring an essentially wild-type phenotype when expressed in mutant Arabidopsis plants lacking DPE2. In light of these findings, we discuss the possible evolutionary origins of the complex DPE2-heteroglycan pathway.
Die nun begonnene Reihe „studieren++“ resultiert aus einer von der Universität Potsdam angebotenen Vorlesungsreihe. Das Besondere an dieser Vorlesungsreihe ist der multidisziplinäre Anspruch und die konsequent umgesetzte Zusammenarbeit über Disziplingrenzen hinweg. Die nicht nur über Instituts-, sondern über Fakultätsgrenzen praktizierte Interdisziplinarität erlaubt die Betrachtung eines Problems oder Sachverhalts aus unterschiedlichen Blickwinkeln. Wissenschaftliche Fragestellungen sind komplex und nicht immer auf eine Disziplin beschränkt. Sie in ihrer Gänze erfassen und nachhaltige Lösungsstrategien oder Konzepte entwickeln zu können gelingt oft nur durch eine multidisziplinäre Kooperation. Eine Lehrveranstaltung wie die vorliegende ist nicht nur für die Studierenden einer Universität eine hervorragende Möglichkeit, um über die Grenzen der eigenen Disziplin hinaus zu blicken und die Zusammenarbeit mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus anderen Bereichen zu pflegen. So lernt man, sich in andere Sichtweisen hineinzuversetzen und sich zwischen den Disziplinen zu bewegen – eine Kompetenz, die in der hochkomplexen Arbeitswelt von heute von hohem Nutzen ist.
Der vorliegende erste Band der Reihe hat „Raum und Zahl“ zum Thema und ist aus einer Ringvorlesung aus dem Wintersemester 2013/2014 entstanden. Drei der fünf Fakultäten, insgesamt neun Institute der Universität Potsdam, haben sich an der Vorlesung beteiligt und sich dieses spannenden Themas angenommen. Als jemand, der sich jahrelang wissenschaftlich mit algorithmischer Geometrie sowie mit raumbezogenen Datenbanken und Navigationssystemen beschäftigt hat, kann ich nur bekräftigen, dass die Bezüge zwischen Raum und Zahl, zwischen Räumen und Zahlen, noch viel stärker im öffentlichen Bewusstsein verankert gehören. Räume auch quantitativ zu erfassen und zu verstehen ist eine Kulturtechnik, die an Wichtigkeit eher noch zunimmt, vor allem vor dem Hintergrund, dass wir genetisch nicht allzu gut auf derartige Herausforderungen vorbereitet sind. Denn viele unserer einschlägigen Gene entstammen noch aus der Zeit der Savanne, einer Zeit, zu der das Raumkonzept sich fast ausschließlich auf die unmittelbare räumliche Umgebung bezog und Zahlen jenseits von 10 nur wenig Relevanz für das eigene Überleben hatten.
Als Präsident der Universität Potsdam freut es mich ganz besonders, dass sich die hier vertretenen Wissenschaftler bereit erklärt haben, ihre Überlegungen mit den Studierenden und ihren Kolleginnen und Kollegen zu teilen. Herrn Kollegen Hans-Joachim Petsche möchte ich für sein Engagement danken und ihm zu dieser gelungenen Reihe gratulieren. Der Geist der Wissenschaft, der nicht nur einsam im Büro oder Labor gelebt wird, sondern gerade an einer Universität auch aktiv nach außen getragen werden sollte, wird hier in besonderer Weise sichtbar. Ich wünsche Ihnen viel Freude bei der Lektüre des Bandes und freue mich auf weitere Veröffentlichungen in dieser Reihe.
A technique has been developed to measure absolute intracellular oxygen concentrations in green plants. Oxygen-sensitive phosphorescent microbeads were injected into the cells and an optical multifrequency phase-modulation technique was used to discriminate the sensor signal from the strong autofluorescence of the plant tissue. The method was established using photosynthesis-competent cells of the giant algae Chara corallina L., and was validated by application to various cell types of other plant species.
Water-soluble heteroglycans (SHG) were isolated from leaves of wild-type Arabidopsis thaliana L. and from two starch-deficient mutants. Major constituents of the SHG are arabinose, galactose, rhamnose, and glucose. SHG was separated into low (< 10 kDa; SHG(S)) and high (> 10 kDa; SHG(L)) molecular weight compounds. SHG(S) was resolved into approximately 25 distinct oligoglycans by ion exchange chromatography. SHG(L) was further separated into two subfractions, designated as subfraction I and II, by field flow fractionation. For the intracellular localization of the various SHG compounds several approaches were chosen: first, leaf material was subjected to non-aqueous fractionation. The apolar gradient fractions were characterized by monitoring markers and were used as starting material for the SHG isolation. Subfraction I and SHG(S) exhibited a distribution similar to that of cytosolic markers whereas subfraction II cofractionated with crystalline cellulose. Secondly, intact organelles were isolated and used for SHG isolation. Preparations of intact organelles (mitochondria plus peroxisomes) contained no significant amount of any heteroglycan. In isolated intact microsomes a series of oligoglycans was recovered but neither subfraction I nor II. In in vitro assays using glucose 1-phosphate and recombinant cytosolic (Pho 2) phosphorylase both SHG(S) and subfraction I acted as glucosyl acceptor whereas subfraction II was essentially inactive. Rabbit muscle phosphorylase a did not utilize any of the plant glycans indicating a specific Pho 2-glycan interaction. As revealed by in vivo labeling experiments using (CO2)-C-14 carbon fluxes into subfraction I and II differed. Furthermore, in leaves the pool size of subfraction I varied during the light-dark regime