TY  - THES
A1  - Popp, Christian
T1  - Cuticular transport of hydrophilic molecules with special focus on primary metabolites and active ingredients
T1  - Kutikulärer Transport von hydrophilen Primärmetaboliten und Aktivsubstanzen
N2  - The plant cuticle as an interface between the plant interior and the adjoining atmosphere plays an important role in any interaction between the plant and its environment. Transport processes across the cuticles were the object of countless research since many decades. However, bulk of the work done was focused on transport of lipophilic molecules. It is highly plausible to examine the penetration of lipophilic compounds, since the cuticle is dominated by lipophilic compartments itself, and the most crop protection agents have lipophilic character. As a result of this research, cuticular transport of lipophilic compounds is relatively well understood. Since several years, examinations were expanded on transport of hydrophilic molecules. In the present study, a direct comparison was made between transport properties of lipophilic and hydrophilic compounds, which allows an objective assessment of the mechanism governing their penetration. The results of this present study debunked the existence of two different pathways across isolated cuticles of Hedera helix (English ivy), a lipophilic and a hydrophilic pathway. This finding was supported by examinations regarding to accelerator and temperature effects on the mobility of both pathways, because the hydrophilic path is insensitive to them - in contrary to the lipophilic one. The lipophilic pathway is rigorously restricted to lipophilic molecules and the hydrophilic pathway is only accessible for hydrophilic molecules. Uncharged hydrophilic compounds can cross the cuticle even the molecules are of relatively large dimensions. In contrast to that, dissociable compounds with a molar volume higher than 110 cm³ mol-1 are excluded from cuticular penetration. Differences in the mobility of uncharged and dissociable molecules might be a hint towards the chemical nature of the polar pathways. It is assumed, that both, cellulose and pectin fibrils, traverse the cuticle which are originated from the epidermal cell wall. While uncharged carbohydrates might be able to penetrate across a pathway made up of cellulose and pectin, dissociated amino acids might be restricted to the cellulose path. This could be a plausible explanation for the higher mobility and the higher cuticle/water partition coefficients of the carbohydrates compared with the amino acids. A hydrophilic pathway was found with isolated grapevine cuticles, too. The apparent size selectivity of the hydrophilic pathway implies transport via narrow pores. From the present data, a mean pore radius of 0.31 nm (H. helix) or rather 0.34 nm (V. vinifera) was calculated. The absolute number of pores per cm² is 1.1 x 109 for H. helix and 3.3 x 109 for V. vinifera cuticles. This finding and the enlarged pore size distribution of grapevine cuticles might be an explanation for the transport of uncharged and dissociable hydrophilic compounds of higher molar volume like paraquat dichloride - in contrast to ivy membranes Wax extraction of ivy membranes uncovers additional pores, which explains the increased mobilities of the hydrophilic compounds across dewaxed membranes. From these extensive measurements it is very conspicuous, that the bulk of cuticular water transpiration occurs via the polar pathway. Since the work was focused on cuticular penetration of primary metabolites like amino acids and carbohydrates, a mechanistic explanation of leaching processes is obtained, simultaneously. In cuticular research, an inconsistent terminology regarding the transport path of the hydrophilic compounds was used. The term ‘hydrophilic pathway’ is definitely correct, since it makes no statement with regard to the shape of this path. In contrast to that, the terms ‘polar pore’ or ‘aqueous pore’ could imply that there is a tube or rather a water-filled tube traversing the cuticle. However - at this point of time – the imagination about the shape of this path is a pathway across interfibrilar gaps within polysaccharide strains. The proposed diameter of these interfibrilar gaps fits very well to the diameter determined in this study. Therefore, the imagination of a pore is not unfounded, but it is a very narrow pore, definitely. Additionally, this pathway is a very straight pathway which corresponds to this simplified imagination. An expanded study was done with paraquat dichloride, which was applied as aqueous droplets on grapevine cuticles. It is assumed that these model membranes reflect transport properties which are very close to that of relevant crops and weeds. The predominating parameter for paraquat penetration is the moisture, either originated from a relative humidity of at least 75% or provided by added chemicals. There is a tendency for good suitability of hygroscopic additives. Increased paraquat penetration was also obtained by raised concentrations and removal of the cuticular waxes.
N2  - Die pflanzliche Kutikula als Grenzfläche zwischen der Pflanze und ihrer Umgebung nimmt eine wichtige Aufgabe hinsichtlich der Interaktion Pflanze/Umwelt ein. Kutikuläre Transportprozesse sind bereits seit Jahrzehnten Gegenstand zahlreicher Forschungen. Das Hauptaugenmerk war dabei jedoch größtenteils auf lipophile Verbindungen gerichtet, was auch plausibel ist, da die Kutikula an sich eine lipophile Membran darstellt und nicht zuletzt auch viele Aktivsubstanzen aus dem Bereich des Pflanzenschutzes lipophil sind. Daraus resultiert ein sehr gutes Verständnis hinsichtlich der Transportmechanismen lipophiler Moleküle. In den letzten Jahren wurde die Forschung jedoch auf hydrophile Modellverbindungen ausgeweitet. Die vorliegende Studie beruht auf einem direkten Vergleich der Transporteigenschaften von lipophilen und hydrophilen Verbindungen, der Unterschiede in den jeweiligen Mechanismen aufzeigen soll. Die Ergebnisse dieser Messungen erbrachten den Nachweis für die Existenz zweier klar differenzierbarer Transportwege in isolierten Kutikularmembranen von Efeu (H. helix); einen lipophilen und einen hydrophilen Pfad. Diese Unterscheidung wurde durch weitere Experimente untermauert, da der lipophile Weg - im Gegensatz zum hydrophilen Weg - tensid- und temperatursensitiv ist. Lipophile Moleküle können ausschließlich über den lipophilen Weg permeieren, während der hydrophile Weg ausschließlich für hydrophile Verbindungen zur Verfügung steht. Eine Besonderheit hinsichtlich der Ladung hydrophiler Verbindungen wurde gefunden: Ungeladene hydrophile Moleküle können auch bei größerem Molvolumen noch durch die Membran transportiert werden. Im Gegensatz dazu wurde für hydrophile dissoziierbare Moleküle mit einem Molvolumen größer als 110 cm3 mol-1 ein Transportausschluss festgestellt. Unterschiede in der Mobilität geladener und dissoziierbarer hydrophiler Verbindungen könnten ein Hinweis in Richtung der Chemie des hydrophilen Weges sein. Es wird angenommen, dass sowohl Cellulose- als auch Pektinfibrillen die Kutikula durchziehen. Ursprung dieser Fibrillen ist die epidermale Zellwand. Eine höhere Mobilität der Kohlenhydrate gegenüber den Aminosäuren könnte dadurch erklärt werden. Ungeladene Kohlenhydrate können demnach sowohl über Cellulose- als auch Pektinfibrillen transportiert werden, während dissoziierte Aminosäuren möglicherweise nur über Cellulosefibrillen permeieren können. Diese Hypothese würde auch die im Vergleich zu den Aminosäuren höheren Verteilungskoeffizienten der Kohlenhydrate erklären. Auch für Blattkutikeln von Wein (V. vinifera cv. Nelly) wurde ein hydrophiler Weg gefunden. Die ausgeprägte Größenselektivität des hydrophilen Weges impliziert einen Transport durch enge Poren. Aus den gemessenen Daten ließ sich ein mittlerer Porenradius von 0.31 nm für Efeu und 0.34 nm für Wein bestimmen. Die absolute Porenanzahl pro Quadratzentimeter beträgt bei Efeu 1.1 x 109 und bei Wein 3.3 x 109. Diese Ergebnisse und die breitere Verteilung des mittleren Porenradius’ bei Wein können den Transport von Paraquat durch Weinmembranen und den Transportausschluss bei Efeumembranen erklären. Eine Extraktion der kutikulären Wachse bei Efeukutikeln legt weitere Poren frei, die ansonsten blind in der Wachsschicht enden und für Transportprozesse daher nicht zur Verfügung stehen. Aus der Auftragung aller Daten ergibt sich, daß Wasser hauptsächlich über den polaren Weg transportiert wird. Die vorliegenden Daten liefern gleichzeitig eine mechanistische Erklärung für das Auswaschen von Primärmetaboliten aus Blättern, was bereits vor vielen Jahrzehnten beobachtet wurde. Im Verlauf der Arbeit wurden verschiedene Begriffe für den Transportweg der hydrophilen Verbindungen verwendet. Der Ausdruck ‚hydrophiler Weg’ (hydrophilic pathway) ist günstig, da er keinerlei Aussagen über die Beschaffenheit dieses Weges macht. Im Gegensatz dazu beinhalten die in der Literatur präferierten Begriffe ‚polare Pore’ (polar pore) oder ‚wässrige Pore’ (aqueous pore) scheinbar Informationen hinsichtlich der Gestalt dieser Wege. Aus den bisherigen Erkenntnissen lässt sich dennoch ein Vorschlag für die Gestalt des hydrophilen Weges machen. Die Tatsache dass zu Fibrillen aggregierte einzelne Cellulosestränge einen Abstand von ca. 0.8 nm aufweisen, was dem postulierten Porenradius sehr nahe kommt, könnten interfibrilläre Zwischenräume den hydrophilen Weg darstellen. Der Begriff einer ‚Pore’ ist daher möglicherweise gar nicht abwegig. Jedenfalls ist der hydrophile Weg, im Gegensatz zum lipophilen Weg, ein ungewundener Weg, was der Vorstellung einer ‚Pore’ entgegen kommt.
KW  - Kutikula
KW  - Membrantransport
KW  - Metabolit
KW  - Kutikula
KW  - Transport
KW  - Primärmetabolite
KW  - Aktivsubstanzen
KW  - Leaching
KW  - cuticle
KW  - transport
KW  - primary metabolites
KW  - active ingredients
KW  - leaching
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-15174
ER  - 
TY  - THES
A1  - Derrer, Carmen
T1  - Biophysikalische Aufschlüsselung des Transportzyklus von ZmSUT1, einem H+/Saccharose Symporter aus Mais
T1  - Biophysical analysis of the transport cycle of ZmSUT1, a H+/sucrose symporter from maize
N2  - Die Mesophyllzellen vollentwickelter Blätter stellen den Hauptort der Photosynthese höherer Pflanzen dar. Diese autotrophen Zellen (source-Gewebe) produzieren einen Überschuss an Kohlenstoff-Assimilaten, die für die Versorgung anderer heterotropher Gewebe und Organe, wie z.B. Früchten oder Wurzeln (sink-Gewebe), genutzt werden. Das Langstrecken-Transportsystem höherer Pflanzen, das Phloem, transportiert die Photoassimilate durch den gesamten Pflanzenkörper. Der zwischen source- und sink-Geweben herrschende hydrostatische Druckunterschied wird von osmotisch aktiven Substanzen generiert und treibt den Massenstrom in diesem Gefäßsystem an. Der nicht-reduzierende Zucker Saccharose stellt in den meisten höheren Pflanzen die Haupttransportform der photosynthetisch hergestellten Kohlenstoffverbindungen im Phloem dar. Protonen-gekoppelte Saccharosetransporter reichern Saccharose im Phloemgewebe mit einer 1000-fach höheren Konzentration (bis zu 1M), verglichen zum extrazellulären Raum, an. Aufgrund dieser einzigartigen Fähigkeit üben diese Carrier eine essentielle Rolle in der Phloembeladung aus und gewährleisten so die Versorgung der gesamten Pflanze mit Photoassimilaten. Saccharosetransporter können diese Energie-aufwändige Aufgabe nur durch eine enge Kopplung des zeitgleichen Transports von Saccharose und Protonen bewerkstelligen. Molekulare Einblicke in diesen physiologisch außerordentlich wichtigen Prozess der Zuckertranslokation sind jedoch bis heute immer noch sehr lückenhaft. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Saccharosetransporter ZmSUT1 aus Mais im heterologen Expressionssystem der Xenopus Oozyten exprimiert. ZmSUT1 generiert in Oozyten ungewöhnlich hohe Ströme im µA-Bereich, was diesen Zuckertransporter für präzise elektrophysiologische Messungen geradezu prädestiniert. Erste elektrophysiologische Messungen zur Substratspezifität zeigten, dass der synthetische Süßstoff Sucralose kein Substrat für ZmSUT1 darstellt. Darüber hinaus gelang es, Sucralose als kompetitiven Inhibitor der Saccharose-induzierten Transportströme von ZmSUT1 zu identifizieren. Die Verwendung dieses Saccharose-Derivats ermöglichte es, den Transportmechanismus in einzelne Schritte zu zerlegen und diese zu quantifizieren. Durch hochauflösende elektrophysiologische Messungen konnten transiente Ströme in der Abwesenheit jeglichen Substrats detektiert werden, die jedoch in der Anwesenheit sättigender Saccharosekonzentrationen erloschen. Diese sogenannten presteady-state Ströme (Ipre) zeichneten sich durch eine schnelle und eine langsame Komponente in der Relaxationskinetik der Ströme aus. Ipre konnten mit dem Binden der Protonen an den Transporter innerhalb des elektrischen Feldes der Membran in Verbindung gebracht werden. Somit führte die Analyse der presteady-state Ströme zur Aufklärung des ersten Schritts - dem Binden der Protonen - im Transportzyklus von ZmSUT1. Interessanterweise reduzierte der kompetitive Inhibitor Sucralose die langsame Komponente der presteady-state Ströme in Abhängigkeit von der Sucralosekonzentration, während die schnelle Komponente von Ipre unbeeinflusst blieb. Um dieses Verhalten erklären zu können und einen weiteren Schritt im Transportzyklus von ZmSUT1 zu studieren, wurde die Methode der Spannungsklemmen-Fluorometrie zur Untersuchung der Konformationsänderung von ZmSUT1 etabliert. Tatsächlich gelang es, zum ersten Mal die intramolekulare Bewegung eines pflanzlichen Transportproteins zu visualisieren. Detaillierte Analysen zeigten, dass die Konformationsänderungen von ZmSUT1, unabhängig von Saccharose, mit einer schwachen pH-Abhängigkeit auftraten. Interessanterweise wurde die Beweglichkeit des Transporters durch die Applikation des kompetitiven Inhibitors Sucralose deutlich reduziert. Dieser Effekt deutet, zusammen mit dem Sucralose-induzierten Verschwinden der langsamen Komponente der Ipre darauf hin, dass Sucralose den Transporter in seiner auswärts-gerichteten Konformation arretiert. Somit repräsentiert die Zugänglichkeit der extrazellulären Protonenbindestelle und folglich die Konformationsänderung den Geschwindigkeits-bestimmenden Schritt im Reaktionszyklus von ZmSUT1. Zusammenfassend gelang es in dieser Arbeit, das Binden der Protonen und den Zusammenhang mit der Bewegung des Proteins, von einer auswärts-gerichteten in eine einwärts-gerichtete Konformation, aufzuklären. Mit der Hilfe der Erkenntnisse aus dieser Arbeit konnte ein mechanistisches Modell für den Transportzyklus von ZmSUT1 entwickelt werden, anhand dessen alle Ergebnisse schlüssig erklärt und diskutiert werden konnten.
N2  - Higher plants produce carbohydrates via photosynthesis in mesophyll cells of their leaves. These autotrophic cells export the excess of photoassimilates (source-tissue) to supply heterotrophic tissues, such as fruits and roots (sink-tissues), with carbon compounds. According to the Munch hypothesis, osmolytes generate the hydrostatic pressure difference between the source- and sink-tissues that drives the mass flow within the phloem vasculature. In most higher plants the non-reducing disaccharide sucrose represents the main mobile carbohydrate. Proton-driven sucrose transporter play a pivotal role in loading the phloem vessels for long distance transport of sucrose throughout the entire plant body. The strongly hyperpolarized plant membrane potential and the exceptional ability of sucrose carriers to accumulate sucrose quantities of more than 1 M in phloem cells, indicate that plants evolved transporters with unique functional properties. The transporter protein can achieve this task only because proton and sucrose transport are tightly coupled to each other. The knowledge about individual steps in the transport cycle of sucrose carriers is, however, still fragmentary. Within the scope of this work, the sucrose transporter ZmSUT1 from maize was expressed in the heterologous expression system of Xenopus oocytes. ZmSUT1 was found to mediate sucrose-induced proton currents in the µA range, predestinating this carrier for precise electrophysiological measurements of kinetic parameters in Xenopus oocytes. A basic electrophysiological characterization revealed that ZmSUT1 do not transport the synthetic sweetener sucralose but is competitively inhibited by this sucrose derivate. Having this tool in hands, individual steps of the ZmSUT1 transport cycle were dissected and quantified with sophisticated electrophysiological and fluorescence-based methods. Thereby transient currents in the absence of any substrate, which disappeared in the presence of saturating sucrose quantities, could be measured. These so-called presteady-state currents were composed of a fast and a slowly decaying current component and could be associated with the binding of protons to a binding site at the transporter within the electrical field of the membrane. Thus, the study of presteady-state currents allowed us to individually characterize the first step in the transport cycle of ZmSUT1 – the binding of protons to ZmSUT1. Interestingly, the slow current component disappeared in the presence of the competitive inhibitor sucralose. To understand this behavior and to elucidate conformational rearrangements within the carrier associated with the transport of sucrose, we visualized movements of ZmSUT1 using the voltage clamp fluorometry technique. Indeed, we for the first time were able to monitor conformational changes of a plant transport protein. Detailed analysis revealed that conformational changes of ZmSUT1 occur in the absence as well as in the presence of its substrate. However, upon application of the inhibitor sucralose the movements of the ZmSUT1 proteins were markedly reduced. This fact, taken together with the disappearance of the slow presteady-state component, let us conclude that sucralose seem to lock ZmSUT1 in its outward-facing conformation. The rate-limiting step of the reaction cycle is determined by the accessibility of the extracellular proton binding site and thus by conformational changes of the ZmSUT1 protein. Taken together our studies resolved the first step in the reaction cycle of a plant sucrose transporter - the binding of protons to the carrier - and its interrelationship with the alternating movement of the protein. Based on these results a mechanistic transport model of plant sucrose transporters was drawn and discussed.
KW  - Mais
KW  - Saccharose
KW  - Symport
KW  - ZmSUT1
KW  - Transport
KW  - Saccharose
KW  - Spannungsklemmen-Fluorometrie
KW  - VCF
KW  - presteady-state Ströme
KW  - sucrose
KW  - transport
KW  - voltage clamp fluorometry
KW  - presteady-state
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-78949
ER  -