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(alpha)-Glucan-Phosphorylasen aus Weizen (Triticum aestivum L.) Isolierung, Charakterisierung und Analyse der Expression
(2002)
- Pflanzliche a-Glucan-Phosphorylasen (EC 2.4.1.1) können Stärke sowohl synthetisieren als auch abbauen. In Blättern und Körnern des Weizen var. Star können drei Phosphorylaseformen (P1, P2 und P3) mittels nicht-denaturierender Elektrophorese im Glycogen-haltigen Polyacrylamidgel unterschieden werden. Zwei der Formen (P1 und P2) sind cytosolische Enzyme, jedoch hat nur P1 die den cytosolischen Phosphorylasen eigene hohe Bindungsaffinität zu verzweigten Polyglucanen. Die dritte Form (P3) ist plastidisch und zeigt die für diesen Typ typische höhere katalytische Affinität zu Maltooligosacchariden verglichen mit verzweigten Polyglucanen. In der vorliegenden Arbeit wurde die cytosolische Phosphorylase aus Weizen-blättern mittels einer Affinitätschromatographie an dem an Sepharose gekoppelten Aktivitätsinhibitor Cycloheptaamylose bis zur Homogenität gereinigt. Die Phosphory-lase besteht aus einem Polypeptid, das nach denaturierender Polyacryl-amidgelelektrophorese ein Molekulargewicht von ca. 92 kD aufweist. Sie hat eine spezifische phosphorolytische Aktivität von 57 U/mg Protein, was einer ca. 7000-fa-chen Anreicherung bei einer Ausbeute von 32 % entspricht. Da das Protein die bei-den Phosphorylaseformen P1 und P2 bildet, liegt es vermutlich in zwei verschiede-nen Formen vor, von denen eine eine Maskierung des Polyglucan-Bindungsbereichs aufweist. Die höchste Aktivität hat die cytosolische Weizen-Phosphorylase, wie andere cytosolische Phosphorylasen, sowohl in der abbauenden als auch in der synthetisierenden Reaktion mit großen, verzweigten Polyglucanen im Vergleich zu linearen Maltooligosacchariden als Substrat. Ihre katalytische Affinität zu Amylopektin ist in der abbauenden Reaktion ca. 30mal höher als zu Maltoheptaose, in der Synthesereaktion sogar ca. 150mal höher. Die Umsatzgeschwindigkeiten mit verschiedenen Glucanen als Substrat sind in der Synthesereaktion vier- bis sieben-mal höher als in der abbauenden Reaktion. Maltopentaose ist das kleinste Substrat, das abgebaut werden kann, während Maltotetraose als Primer für die Glu-cansynthese dienen kann. Das pH-Optimum der abbauenden Reaktion liegt mit pH 7,0 etwas höher als das der Synthesereaktion (pH 6,0). Reduzierende Agenzien haben keinen Einfluss auf die Aktivitäten der cytosolischen Phosphorylase. Gegen das Protein der cytosolischen Phosphorylase wurden polyklonale Antikör-per hergestellt. Sie reagierten mit der gereinigten cytosolischen Phosphorylase und entsprechend großen Polypeptiden in Weizenextrakten, nicht aber mit Proteinen von Extrakten, die nur plastidische Phosphorylase enthielten. In hoher Konzentration re-agierte das Serum im Westernblot-Verfahren auch mit anderen Proteinen von Wei-zenextrakten, schien aber in geeigneter Verdünnung spezifisch für die cytosolische Phosphorylase zu sein. Aus einer cDNA-Bank aus jungen Weizenblättern wurde die cDNA einer cytosoli-schen Phosphorylase kloniert. Das erste Methionin (Met 20) der abgeleiteten Amino-säuresequenz des von Anfang an offenen Leserasters der cDNA stellt mit höchstwahrscheinlich den Translationsstart dar. Auch nach Verlängerung des 5´-Endes um 87 Basen in 5´-Richtung konnte kein Stoppcodon, aber auch kein weiteres Methionincodon entdeckt werden. Eine cDNA einer plastidischen Phosphorylase konnte nicht aus der Blatt-cDNA-Bank isoliert werden, aber aus einer cDNA-Bank aus Endosperm einer anderen Weizensorte. Die Sequenzen der beiden cDNAs dienten zur Herstellung spezifischer Primer, mit denen Fragmente von Phosphorylase-cDNAs aus Blättern und Körnern des Weizen var. Star amplifiziert werden konnten. Durch RACE konnten mit anhand dieser Fragmente hergestellten Primern cDNAs einer cytosolischen Phosphorylase aus Körnern und je zweier plastidischer Phosphorylasen aus Blättern und Körnern amplifiziert werden, die nur an den 5´-Enden noch vervollständigt werden müssen. In Blättern ist die Aktivität der cytosolischen Phosphorylase weitgehend auf junge, stark wachsende Primärblätter beschränkt. In Körnern wird sie während der späten Kornentwicklung höchstwahrscheinlich im Embryo gebildet und bleibt dort aktiv während der Keimung. Somit könnte die cytosolische Phosphorylase wichtig für die Aufrechterhaltung eines cytosolischen Glucose-1-Phosphatpools in Geweben sein, die massiv antransportierte Reservestärke-Abbauprodukte für das Wachstum des Keimlings verarbeiten müssen. Die Aktivität der plastidischen Phosphorylase bleibt langfristig in ausgewachsenen Blättern erhalten. Sie ist vermutlich am Metabolismus der transitorischen Stärke dieser Blätter beteiligt, zeigt aber keine diurnale Aktivitätsschwankung. Eine transient hohe Aktivität zeigte die plastidische Phosphorylase ebenfalls beim Einsetzen massiver Stärkesynthese im sich ent-wickelnden Korn. Da auch das Expressionsmuster ihres Transkripts dem der Stärke-synthetisierenden Enzyme ADP-Glucose-Pyrophosphorylase und Stärkesynthase ähnelt, spielt die plastidische Phosphorylase möglicherweise eine Rolle bei der Initi-ierung der Synthese von Reservestärke
