Physiologische Strategien zur Kälteanpassung von Pflanzen und Tieren im Vergleich

Facharbeit erstellt vom 17.02.1999 bis 21.04.1999 Leistungskurs Biologie: BI 1 Jahrgang 12 Physiologische Strategien zur Kälteanpassung von Pflanzen und Tieren im Vergleich von Arne Weinhold Punkte: 13 Reprint 2016 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 3 1.1 Folgen von Kälte und Frost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.1 Kälteschäden .............................. 3 1.1.2 Frostschäden .............................. 3 2 Temperaturadaption allgemein 4 3 Temperaturadaption bei Pflanzen 6 3.1 Temperaturempfindlichkeitsstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3.2 Frostanpassung bei Pflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3.3 Frostund Wintertrocknis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.4 Veränderlichkeit der Temperaturresistenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.5 Kältebedürftigkeit................................ 10 4 Temperaturadaption bei Tieren 11 4.1 HomoiothermeTiere .............................. 11 4.2 PoikilothermeTiere............................... 11 4.2.1 Kälteempfindlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4.2.2 Frostanpassung bei Tieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4.3 Veränderlichkeit der Temperaturresistenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 4.4 Frostschutz bei Antarktisfischen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 5 Kryoprotektoren 15 5.1 Antifrostproteine/-glycoproteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 5.2 Vergleich..................................... 16 6 Diskussion 17 7 Literaturverzeichnis 18 2 1 Einleitung Sämtliche Lebensprozesse erfordern immer einen optimalen Temperaturbereich, in dem alle Stoffwechselschritte harmonisch ablaufen können. An den Grenzen dieses Temperaturbereichs müssen biochemische Reaktionen modifiziert und zahlreiche physiologischen Vorgänge umgestellt werden. „Wachstum, Entwicklung und Aktivität der meisten Organismen sind mehr oder weniger von der Umgebungstemperatur abhängig.“(HEINRICH 1992) Da das mittlere Jahresminimum nach LERCH (1991) für zwei Drittel des Festlandes unter 0◦C liegt sind die meisten Tiere und Pflanzen niedrigen Temperaturen dauerhaft oder zumindest saisonal ausgesetzt und müssen dementsprechende physiologische Anpassungen entwickeln. 1.1 Folgen von Kälte und Frost Kälte und Frost sind für Pflanzen und Tiere weltweit bedeutende Umweltfaktoren (LERCH 1991), die starken Einfluß auf den Stoffwechsel vieler Organismen haben. Jedoch sollte dabei explizit zwischen Kälte und Frost unterschieden werden, denn die Folgen, die Kälte und Frost mit sich führen sind sehr unterschiedlich. „Die grundlegenden Wirkungen der Temperatur betreffen dabei einmal die Beeinflussung der Geschwindigkeit der Stoffwechselreaktionen und zum anderen Änderungen an den biochemischen Strukturen.“ (SCHUBERT 1991) 1.1.1 Kälteschäden Anders als bei hohen Temperaturen zerstört Kälte die plasmatischen Strukturen in den Zellen nicht direkt (LERCH 1991), sondern senkt die Reaktionsgeschwindigkeit (gemäß der RGT-Regel) der einzelnen chemischen Prozesse. Thermodynamische Änderungen (SCHUBERT 1991, JAENICKE 1998) der Tertiärund Quartiärstruktur von Enzymen erhöhen zwar deren Stabilität, führen aber oft zum Verlust der katalytischen oder regulatorischen Fähigkeit, wodurch Stoffwechselschritte verlangsamt werden. Dabei entstehende Schäden im Stoffwechsel beruhen vermutlich (STRASSBURGER 1998, BORRISS 1985) auf der disharmonischen Verschiebung und unproportionalen Abnahme der Geschwindigkeiten, der einzelnen, aufeinander abgestimmten Stoffwechselvorgänge (Atmung, Photosynthese, etc.). Kälte steigert die Viskosität von Wasser und verringert die Permeabilität der Membranen, was eine verlangsamte Wasseraufnahme und einen gestörten Assimilationstransport zu Folge hat. 1.1.2 Frostschäden Bei Frost muß zwischen extrazellulärer (interzellulärer) Eisbildung im Gewebe und intrazellulärer Eisbildung in den Zellen unterschieden werden. 3 Extrazelluläre Eisbildung: Extrazelluläre Eisbildung tritt auf, wenn Wasser außerhalb der Zellen gefriert. Dabei wird den Zellen Wasser entzogen (Dehydration), was (LERCH 1991) einen Volumenverlust von bis zu 30% bedeuten kann. Durch die Austrocknung kommt es zu schweren Störungen der Enzymaktivität und der Membran und Eiweißstrukturen. Nach BORRISS (1985) führt Wasserentzug zu pH-Änderung, Proteindenaturierung, Zellschrumpfung und kann eine erhöhte Konzentration von zelleigenen toxischen Substanzen bedeuten (Lexikon der Biologie 1984). Aber auch durch Konzentration von anderen Substanzen (Salzen, organischen Säuren) können nach STRASSBURGER (1998) membrangebundene Enzyme inaktiviert werden (vor allem bei der ATP-Synthese in Pflanzen) oder es führt zur Denaturierung von Enzymen. Es wurde auch der Verlust von Membranmaterial und von peripheren Membranproteinen nachgewiesen (LIBBERT 1987). Bei den meisten Organismen tritt der Zelltod dann ein, wenn etwa zwei Drittel des Zellwassers entzogen wurden (HOCHOCHKA 1980) Intrazelluläre Eisbildung: Bei intrazellulärer Eisbildung wird die Zelle mechanisch getötet. In der Zelle entstehen Eiskristalle (BORRISS 1985), die die Membran zerreißen und auch zur irreversiblen Denaturierung von Membranenzymen führen. Diese Schäden treten besonders beim Wiederauftauen auf und führen meist zum sofortigen Zelltod (HOCHACHKA 1980). Deshalb gibt es gegenwärtig keine Hinweise darauf, daß es in der Natur eine Toleranz gegen vollständige intrazelluläre Eisbildung gibt. Eine Ausnahme herrscht dann, wenn die Eiskristalle sehr klein bleiben und ihr Wachstum gehindert wird (siehe 5.1), so daß sie keine physischen Schäden in der Zelle verursachen können. Künstliches Schockgefrieren allerdings schadet einer Zelle kaum (BORRISS 1985), weil hierbei das Gewebe schlagartig unter Strukturerhalt zu einer mikrokristallinen glasartigen Masse gefriert (Verglasung) und keine Eiskristalle entstehen, so daß man lebende Zellen durch ultraschnelles Gefrieren (ca. 500K/s) bei -196◦C konservieren kann. 2 Temperaturadaption allgemein „Temperaturresistenz ist die Fähigkeit eines Organismus, Kälte oder Hitze ohne bleibenden Schaden zu überleben.“ (HEINRICH 1992) Sie ist genetisch festgelegt, Art, Rasse bzw. Ökotyp spezifisch und wechselt mit den Jahreszeiten (siehe 3.4, 4.3). Bei der Adaption an Frost und Kälte gibt es nach und LEVITT (1980) zwei Möglichkeiten. Erstens die Vermeidung, daß solche Temperaturen oder Eiskristalle entstehen. Zweitens die Fähigkeit extrazelluläre Eisbildung zu ertragen und Zellstrukturen vor Dehydration zu schützen (Toleranz). Kälte und extrazelluläre Eisbildung können sowohl vermieden als auch von einigen Organismen toleriert werden. Intrazelluläre Eisbildung hingegen kann nur vermieden werden, da sie grundsätzlich letal ist (siehe 1.1.2). Eine besondere Ausnahme bilden manche Insekten, die nach TISCHLER (1984) sogar intrazelluläres Eis in ihren Fettzellen tolerieren können. Es gibt Anpassungen in Verhaltensweisen, Anatomie und Physiologie. Meistens ist die Kältebelastung jedoch nicht ohne biochemische Anpassung zu überste4 hen (HOCHACHKA 1980). Zur Eis und Frostvermeidung lassen sich nach LEVITT (1980) drei Anpassungsstrategien einteilen. (siehe Abb. 1) Kälteresistenz Erkältungsresistenz Frostresistenz Gefrierverzögerung Eisbeständigkeit durch Isolation Unterkühlung Gefrierpunktsdepression Resistenz gegen Schädigung durch niedrige Temperaturen über dem Gefrierpunkt Resistenz gegen Schädigung durch Gefrieren Plasmatische Resistenz gegen Frostdehydration Abbildung 1: Anpassungsstrategien zur Kälteresistenz verändert nach LEVITT (1980) a.) Isolation: Bei fast allen homoiothermen Tieren spielt die Isolation als anatomische Anpassung gegen Auskühlung des Körpers eine wichtige Rolle. Durch eine Fettschicht und einen Winterpelz können diese ihre Körpertemperatur unabhängig von äußeren Temperaturschwankungen aufrechterhalten. Nivale Pflanzen nutzen durch Zwergwuchs die isolierende Eigenschaft der Schneedecke. b.) Unterkühlung: Unterkühlung bietet nur begrenzte Resistenz gegen Frost. Durch das Nichtvorhandensein von Kristallisationskeimen kann eine wässrige Lösung unterkühlt werden (LIBBERT 1987). Erst bei Berührung mit Eiskristallen gefriert die Lösung schlagartig. Viele poikilotherme Tiere scheinen bei ihrer Kälteresistenz nach TISCHLER (1984) ganz von dem Mechanismus der Unterkühlung abzuhängen (siehe 4.2.2 c.). c.) Gefrierpunktdepression: Der Gefrierpunkt einer Lösung kann durch allgemeine Konzentrationserhöhung gesenkt werden. Dies wird meistens durch Entwässerung der Zellen erreicht. „Wassermoleküle werden dabei durch Hydration an Ionen bzw. an polare Molekülgruppen gebunden und dadurch dem Gefrieren entzogen.“ (JAENICKE 1998) Diese Molekülgruppen werden als Frostschutzmittel oder Kryoprotektoren bezeichnet. Es können sowohl Ionen, Alkohole, Salze, Zucker und organische Säuren sein, als auch Proteinund Peptidketten. Diese Kryoprotektoren können den Gefrierpunkt sowohl intraals auch extrazellulär stark senken. Es sind teilweise Stoffwechselmetabolite, die sich anhäufen, wenn bestimmte Enzyme, die zum Abbau der Metabolite dienen, wegen Unterschreitung ihres Temperaturoptimums ihre Tätigkeit einstellen (JAENICKE 1998). Tiere nutzen hierbei vermehrt Alkohole (z.B. Glycerin und Glycol) und Pflanzen vermehrt Zucker (z.B. Hamamelose). 5 3 Temperaturadaption bei Pflanzen Pflanzen sind, weil sie nicht ausweichen können, ihrer Umgebungstemperatur stärker ausgesetzt als Tiere. Deswegen müssen Pflanzen eine besondere Widerstandsfähigkeit entwickeln, um in der Kälte überleben zu können. Nach LERCH (1991) lassen sich bei Pflanzen mehrere Temperaturempfindlichkeitsstufen einteilen. 3.1 Temperaturempfindlichkeitsstufen I. Abkühlungsund Erkältungsempfindlichkeit: Es treten bereits bei Temperaturen zwischen 5◦C und 0◦C Schäden auf (siehe 1.1). Bei diesen Temperaturen wird ihre Entwicklung gehemmt oder sie sterben ab. Besonders empfindlich ist das Photosystem II (GRAU 1991, LIBBERT 1987). Die meistens Zierund Kulturpflanzen aus den tropischen oder subtropischen Regionen wie z.B. Tomate oder Tabak, aber auch Algen warmer Meere, sind kälteempfindlich. Besonders stark betroffen sind dabei Pflanzenteile in denen hochaktive Lebensvorgänge ablaufen, wie Gipfelknospen und Wurzeln. II. Gefrierempfindlichkeit: Diese Pflanzen können kühle Temperaturen bis 0◦C ertragen, gehen jedoch bei Frost zugrunde. Besonders in wasserreichen Zellen können sich schnell Eiskristalle bilden (siehe 1.1.2), die die empfindliche Membran pressen und zerreißen. Aber auch extrazelluläres Eis führt zur Dehydration der Zelle, was zu schweren Störungen in der Enzymaktivität und der Membranund Eiweißstrukturen führt. III. Gefriertoleranz/Frosthärte: Bei Pflanzen, in deren Zellen durch Anreicherung osmotisch wirksamer Substanzen besondere Wasserbindungsverhältnisse dazu führen, daß der Gefrierpunkt des Zellplasmas gesenkt ist. Eis entsteht nur extrazellulär. Seine Ausbreitung ist aber begrenzt, weil den Zellen durch die hohe plasmatische Wasserbindungskraft nur sehr geringe Wassermengen entzogen werden können. Frostharte Pflanzen wie z.B. alpine Zwergsträucher ertragen Wintertemperaturen von -60◦C bis -70◦C (STRASSBURGER 1998). In Laborversuchen können manche Algen und Flechten sogar auf die Temperatur flüssigen Stickstoffs (-195,8◦C) abgekühlt werden. Ähnliches gelang auch mit Zweigen von Maulbeere (Morus), Pappeln (Populus) und Weiden (Salix), die nach vorsichtigem Vorfrieren bei -30◦C flüssigen Stickstoff überstanden und sich nach langsamen Auftauen weiterentwickelten (TISCHLER 1984). 3.2 Frostanpassung bei Pflanzen Frost setzt nach LERCH (1991) die Verbreitungsgrenzen für mehr als 90% aller Pflanzenarten. Außerhalb der Tropen muß die Pflanzenwelt in der Lage sein, zumindest für einen Teil des Jahres, Frosttemperaturen zu überstehen. Die Anpassung an Frost nennt man 6 Frosthärte. Sie wird durch verschiedene Faktoren ausgelöst (siehe 3.4) und schwankt mit den Jahreszeiten. In der Phase der Abhärtung gibt es viele physiologische und biochemische Veränderungen in der Pflanze, die sie resistent oder tolerant gegenüber Frost macht. Erst werden Enzyme an die Kälte angepasst (siehe Punkte b.) und c.)), damit keine Disharmonisierung des Stoffwechsels eintritt. Dann werden Maßnahmen gegen die Eisbildung getroffen. Dabei muß erstens intrazelluläre Eisbildung verhindert werden und zweitens Dehydration als Folge extrazellulärer Eisbildung ertragen werden. Intrazelluläre Eisbildung wird durch Gefrierpunktdepression des Zellplasmas verhindert. Der Gefrierpunkt wird aber wiederum durch Dehydration gesenkt, denn wenn im geringer konzentrierten Gewebe Eis entsteht, wird den Zellen Wasser entzogen, wodurch deren Konzentration (durch Ausfällung gelöster Substanzen) steigt und der Gefrierpunkt gesenkt wird. Das heißt, daß extrazelluläre Eisbildung dazu beiträgt intrazelluläre Eisbildung zu verhindern. Voraussetzung ist allerdings, daß das Abkühlen langsam erfolgt, damit der Massenaustausch von Wasser mit dem Temperaturaustausch schritthalten kann (LIBBERT 1987). Bei schneller Abkühlung (nicht zu verwechseln mit Schockgefrieren!) wird die Zelle nicht stark genug entwässert und es kommt zum Zelltod durch intrazelluläre Eisbildung. Die Dehydration wird von frostharten Pflanzen also nur gestoppt, indem die Pflanze selbst den Wassergehalt von freiem Wasser durch Anreicherung von wasserbindenden Molekülen in der Zelle verringert. a.) Gefrierpunktsenkung: Da nur freies (also nicht gebundenes) Wasser gefrieren kann, muß der Gehalt von freien Wasser verringert (durch Dehydration) oder gebunden werden. Dies geschieht durch Anreicherung osmotisch wirksamer Substanzen mit einem hohen Bindevermögen für Wasser. Durch Hydrolyse von Stärke werden Zucker und ihre Derivate gebildet (JAENICKE 1998), wie z.B. Glucose, Hamamelose, Sacherrose, Raffinose, Sorbitol, Mannitol, a-Galaktosylglycerol, Glycerin und viele andere Monound Oligosaccharide. Außerdem noch Aminosäuren (Prolin, Glycinbetain) und Salze organischer Säuren (SCHUBERT 1991). Diese Substanzen senken den Gefrierpunkt einer Lösung und werden deshalb als Frostschutzmittel bezeichnet. b.) Schutz der Proteine vor Denaturierung: Meistens sind die selben Frostschutzmittel (besonders aber Prolin) auch in der Lage Proteine zu solvatieren und sie so dem denaturierenden Einfluß des Wasserentzuges zu schützen. c.) Verwendung stabiler Proteine: Durch differentielle Genaktivierung werden Enzyme synthetisiert, die wesentlich kältestabiler und aktiver sind (BORRISS 1985). Dazu gehören besonders homologe Enzyme ohne Tertiärund Quartiärstruktur, die dann polymere Enzyme (wie z.B. Ribolosebisphosphatcarboxylase und Pyruvatphosphatdikinase) ersetzen, da diese äußerst leicht destabilisiert werden können (LIBBERT 1987). Die Kälteresistenz kann deshalb durch Cytokinine erhöht werden, weil diese die Proteinsynthese stimulieren. Durch Transcribtionsund Translationsinhibitoren wird eine weitere Härtung allerdings verhindert (LIBBERT 1987). Au7 ßerdem werden Feinstrukturen des Protoplasmas und Membranproteine umgebaut (TISCHLER 1984). d.) Erhöhung der Membranstabilität: Durch die Verwendung von ungesättigten Fettsäuren in den Membranen und durch solvatierende Substanzen (s.o.) wird die Membran gefestigt, so daß Eiskristalle aus dem Gewebe nicht durch sie hindurchwachsen können (LIBBERT 1987). Deshalb vertragen Pflanzen, die einen hohen Anteil von ungesättigten Fettsäuren haben (z.B. Spinat, Arabidopsis) wesentlich mehr Kälte als Pflanzen mit einem höheren Anteil an gesättigten Fettsäuren wie z.B. Gurke (STRASSBURGER 1998). Ungesättigte Fettsäuren (besonders Linolensäure) bleiben bei niedrigen Temperaturen länger „flüssig“ und gehen nicht gleich in den kristallinen Zustand über. So konnte durch den Transfer des Gens für das Enzym Glycerin-3-phosphat-Acetyltransferase (Schlüssel für die Synthese von ungesättigten Fettsäuren) aus Spinat die Kälteresistenz von Tabak erhöht werden. Durch Veränderung der Membranproteinzusammensetzung kann zudem die Permeabilität erhöht und freies Wasser schneller ausgeschleust werden (SCHUBERT 1991) e.) Aufteilung der Vakuolen: Die Zentralvakuolen in den Zellen werden in viele Kleinvakuolen aufgeteilt. Durch ihre extremen Standortfaktoren gehören Nadelbäume der borealen und montanen Wälder der Taiga zu den am besten an Frost angepassten Holzpflanzen. Sie können 8 Monate lange Kälteperioden ertragen und hören erst bei -4◦C mit der Photosynthese auf, wenn die Nadeln gefrieren (TISCHLER 1984). Sie können also noch bei Frost positiv Kohlendioxid assimilieren. Dies konnte auch für Flechten aus der Antarktis oder den Gletscherhahnenfuß (Ranunculus glacialis) bewiesen werden. Im Schnitt ertragen sibirische Holzpflanzen Temperaturen unter -60◦C. Die Weymouthkiefer (Pinus strobus) erträgt sogar -78◦C (Schüler Duden 1988). Extrem angepasste Algen der Gezeitenzone, Flechten, Zwergsträucher und immergrüne Coniferen winterkalter Klimate sollen -70◦C bis -90◦C und Weiden-, Maulbeerenund Pappelzweige sogar langsames Gefrieren bis auf -196◦C ertragen. Diese Werte konnten selbstverständlich nur im Labor ermittelt werden, denn die tiefste, je auf der Erde gemessene Temperatur betrug lediglich -89,2◦C (am 21.Juli 1983 in der Antarktis). 3.3 Frostund Wintertrocknis Darunter versteht man nicht nur Dehydration durch extrazelluläres Eis, sondern den Wasserverlust durch trockene Winterluft bei gleichzeitig blockierter Wassernachlieferung. Auch bei äußerst frostharten Pflanzen kann es vorkommen, daß durch persistenten Frost die Wasserleitungsbahnen einfrieren. Dadurch kommt es zu starken Transpirationsverlusten der oberen Pflanzenteile (Blätter, Nadeln), die nicht mehr durch Wasseraufnahme ersetzt werden können, so daß die Pflanze vertrocknet (LIBBERT 1987, LERCH 1991, 8 Lexikon der Biologie 1984). Besonders gefährlich sind hierbei ungewöhnlich klare und warme Wintertage, an denen durch die stärkere Sonneneinstrahlung mehr Wasser verdunsten kann. Aber auch schon bei Bodentemperaturen über dem Gefrierpunkt (ab 20◦C) kann es zu einer um bis zu 30% geringeren Wasseraufnahme kommen, da durch Kälte die Viskosität des Wassers zunimmt und die Permeabilität der Wurzeln sinkt (LERCH 1991). Die Pflanze kann der Frosttrocknis durch rechtzeitigen Spaltöffnungsschluß und dichtem Abschlußgewebe (bei Nadelbäumen) oder durch das Verkleinern der transpirierenden Oberfläche durch Blätterabwurf (bei Laubbäumen) entgegenwirken (LERCH 1991). Hierbei sind die Nadelbäume (durch ihre xeromorph gebauten „Blätter“) gegenüber den Laubbäumen allerdings im Vorteil, was auch den hohen Anteil an Nadelbäumen in der Taiga erklärt. 3.4 Veränderlichkeit der Temperaturresistenz Die Fähigkeit einer Pflanze Frost zu überstehen bleibt nicht konstant, sondern muß erst durch Frostabhärtung erworben werden. Diese Phase der Frostabhärtung (Akklimation) beginnt mit den kühler werdenden Tagen im Herbst (LERCH 1991). Die ständig zunehmende Kälte und die kürzer werdenden Tage führen zu einer immer stärkeren Abhärtung, so daß die Frosthärte der Pflanze innerhalb weniger Tage ihren Höchstwert erreicht (STRASSBURGER 1998). Dabei soll das Stresshormon Abscisinsäure eine besondere Rolle spielen, weil dadurch Dormanz induziert wird. Im Frühjahr beginnt dann mit der zunehmenden Wärme allmählich die Frostenthärtung (Deakklimation) der Pflanzen, indem sie wieder mehr Wasser aufnehmen (BORRISS 1985) und die Kälteschutzstoffe (zumindest die Zucker und ihre Derivate) größtenteils wieder in Stärke umwandeln (TISCHLER 1984). Die Frostverträglichkeit nimmt ab und erreicht im Sommer ihren tiefsten Stand. Manche Hölzer die nach LIBBERT (1987) im Winter -196◦C überstehen würden, ertragen im Frühling nicht einmal -3◦C (Spätfrostempfindlichkeit). Besonders frosthart sind Samen im Ruhezustand (Dormanz). Sie können bei mehr als 20% Wassergehalt oder gequollen auf bis zu -20◦C abgekühlt werden (LERCH 1991). Sobald jedoch die Keimung einsetzt, geht die Frostresistenz sofort verloren, denn wasserhaltige Sprossen und junge Triebe sind kaum abhärtungsfähig. Ausnahmen bilden nur einige alpine Pflanzen, deren Keimlinge bei Kälteinbruch relativ schnell abhärten können (LERCH 1991). Generell schließen sich aber Frosthärte und Wachstum voneinander aus, weil frostharte Zellen nach BORISS (1985) und LIBBERT (1987) wasserarm und wachsende Zellen wasserreich sind. Bei manchen Baumarten (Quercus ilex,Abies balsamea, manche subtropischen Palmen und Sukkulenten) dauert die Entwicklung der Fähigkeit zur Frostresistenz mehrere Jahre, so daß die Jungpflanzen von Jahr zu Jahr an Frosthärte dazugewinnen müssen. Bei anderen Baumarten winterharter Gebiete (Kiefer, Fichte, Tanne, Apfel) ist die Abhärtungsfähigkeit schon bei den einjährigen Pflanzen voll ausgebildet. Mit zunehmendem Alter vermindert sich jedoch die Fähigkeit zur Frosthärte bei sämtlichen Holzgewächsen. 9 N-Acetylglucosamin. Dieses ist dem AFGP von Insekten am ähnlichsten. Die AFP lassen sich in drei Gruppen einteilen (WÖHRMANN 1993, [1]). TYP I ist Alanin-reich und hat eine Molekülmasse zwischen 3300 und 4500. TYP II ist Cystein-reich und hat eine Molekülmasse zwischen 11000-24000. (siehe Abb. 6) Abbildung 6: Strukturmodell eines Typ II AFP und Anlagerung eines Typ III AFP an Eis aus [4]. TYP III hat weder viel Alanin noch Cytosin und eine Molekülmasse von 6500. (siehe Abb. 6) AFP zeigen allerdings eine geringere Gefrierschutzaktivität als AFGP. 5.2 Vergleich Kryoprotektoren lassen sich in zwei Gruppen einteilen. Erstens: Niedermolekularen, osmotisch wirksamen Stoffwechselmetabolite, die den Gefrierpunkt kolligativ senken. Zweitens: Makromolekulare Zucker-Eiweiße, die ansonsten keine weitere Funktion im Stoffwechsel haben. So gesehen verdienen eigentlich nur AFGP/AFP die Bezeichnung „Kryoprotektor“. Sämtliche anderen Stoffe haben als „eigentliche Funktion“ im Stoffwechsel eine völlig andere und fungieren nur in ihrer Zweitfunktion als Gefrierund Kälteschutz. Sie können durch schlichte Konzentrationserhöhung Eiskristallbildung verhindern und gleichzeitig Proteine stabilisieren. Bei Pflanzen und Tieren sind die meisten biochemischen Anpassungen an Kälte und Frost sehr ähnlich. Sie basieren auf Erhöhung des osmotischen Wertes in den Zellen, was teilweise durch die gleichen aber ansonsten durch ähnliche Stoffe erreicht wird. Der eigentlich einzige wirklich markante Unterschied ist der, daß einige Tiere AFGP/AFP verwenden, welche besondere biochemischen und physiologischen Vorteile bieten. 16 6 Diskussion Bei der Betrachtung der Effizienz liegen die makromolekularen AFGP/AFP weit vorne. Fische sind in der Lage trotz dieser starken Frostschutzmittel einen normalen Stoffwechsel zu betreiben. Da sie das ganze Jahr über bei einer Wassertemperatur um -1,8◦C leben , zeugt ihr Frostschutzmittel von besonderer Qualität. Es senkt den Gefrierpunkt gegenüber Salz um ein vielfaches, kann eingedrungene Eiskristalle schmelzen und erfordert keine besonderen Stoffwechselanpassungen. Übliche Kryoprotektoren können, da sie immer sehr hoch konzentriert sein müssen, nur kurze Zeit in latenten Lebensphasen ertragen werden und bieten keinen Ganzjahreschutz. So würde eine starke Salzgehaltserhöhung bei Fischen Ionenverhältnisse stören und Enzyme inaktivieren, so daß komplizierte Makromolekülverbände umgebaut werden müssten. AFGP/AFP sind dagegen perfekte Frostschutzmittel für Organismen, die das ganze Jahr der Gefahr des Gefrierens ausgesetzt sind. Wenn man die Entwicklung und Evolution aller Kryoprotektoren betrachtet, ist es nicht schwer die Herkunft von Stoffen wie Glucose, Glycerin oder Prolin zu bestimmen. Diese werden entweder aus Stärke, Glycogen und Fetten gewonnen, oder häufen sich im Stoffwechsel an, wenn Enzyme, die diese abbauen sollen, durch Kälte ausfallen. Bei AFGP/AFP wird dies schwieriger. Diese haben keinerlei Funktion im Stoffwechsel von Fischen und Insekten. Besonders auffällig ist dabei aber die Ähnlichkeit mit Blutgruppen Glycoproteinen (beim Menschen). Diese haben nämlich auch N-Acetylgalactosamin als Zuckerbestandteil. WÖHRMANN (1993) versuchte dies durch ein Experiment zu zeigen, indem er N-Acetylneuraminsäure (NANA) an das AFGP gebunden hat. Das neuentstandene Molekül soll eine noch größere Ähnlichkeit mit Blutgruppensubstanzen haben. Vermutlich ist durch eine einfache Mutation (das Fehlen des NANA übertragenden Enzyms) so ein „Ur-Gefrierschutzprotein“ entstanden. Diese Mutation muß sich aber öfter wiederholt haben, so daß AFGP/AFP heute in Hornissen, Muscheln, Arktisund Antarktisfischen vorkommt. „The mechanism of cryoprotektion is still a matter of controversity, and indeed there may very well be more than one mechanism.“ (LEVITT 1980) 17 7 Literaturverzeichnis Borriss, H.[Hrsg.] 1985: Wörterbücher der Biologie, Pflanzenphysiologie. Gustav Fischer Verlag Stuttgart. 260-263 Carey, Cynthia 1993: Life in the cold. Ecological, Physiological and Molecular Mechanisms.Wetview Press Inc. Boulder, 502-509 Falbe, Jürgen, Regitz, Manfred 1997: Römp Lexikon Chemie. Georg Thieme Verlag Stuttgart. 1579-1581 Grau, Alfredo, 1991: Physiologische Anpassugsmechanismen an niedrige Temperaturen bei Lycopersicon esculentum MILL. Hamburg, Diss. 6 Heinrich, Dieter, Hergt, Manfred 1992: dtv Atlas zur Ökologie. Deutscher Taschenbuch Verlag.39,89,97,137 Hochachka, Peter W., Somero, George N. 1980: Strategien biochemischer Anpassung. Georg Thieme Verlag Stuttgart, 108-111,286-293 Hochachka, Peter W., Somero, George N. 1984: Biochemical Adaption. Princeton University Press, New Jersey Jaenicke, Joachim 1998: Materialien Handbuch Kursunterricht Biologie, Ökologie(1). Aulis Verlag Deubner & CoKG.105-106 Lerch, Gerhard 1991: Pflanzenökologie. Akademie Verlag Berlin, 59-64,76-77 Levitt, Jacob 1980: Responsens of plants to environmental stresses. Volume 1 Chilling, freezing, and high temperature stresses. Academic Press New York Lexikon der Biologie 1984 Band drei. Herder Verlag Freiburg. 388-389 Lexikon der Biochemie und Molekularbiologie 1991 Band 2 Herder Verlag Freiburg. 13,34 Libbert, Eike 1987: Lehrbuch der Pflanzenphysiologie. Gustav Fischer Verlag Stuttgart, 307-309 Pörter, H. O., Playle, R. C. 1998: Cold ocean physiology. Cambridge University Press Remmert, Hermann 1991: Ökologie, Ein Lehrbuch. Springer Verlag Berlin. 36-41 Schubert, Rudolf 1991: Lehrbuch der Ökologie. Gustav Fischer Verlag Jena. 109-112 Schüler Duden 1988: Die Ökologie. Dudenverlag. 94-95 Strassburger, E. 1998: Lehrbuch der Botanik für Hochschulen. Gustav Fischer Verlag Stuttgart, 385-387 Tischler, Wolfgang 1984: Einführung in die Ökologie. Gustav Fischer Verlag Stuttgart.3034, 268,289 Wöhrmann, Andreas P. A. 1993: Gefrierschutz bei Fischen der Polarmeere. Berichte zur Polarforschung. Christian-Albrecht-Universität zu Kiel, Diss. [1] http://webhost.avint.net/afprotein/table.htm [2] http://www.kah-bonn.de/1/16/san/didaktik/fachbio/fifrostschutz.html [3] http://www.bio.nd.edu/biology/faculty/duman.html [4] http://crystal.biochem.queensu.ca/DaviesWeb/Index.htm nature/movie.html 18 Veröffentlichungseinverständnis Hiermit erkläre ich, daß ich damit einverstanden bin, wenn die von mir verfaßte Facharbeit der schulinternen Öffentlichkeit zugänglich gemacht wird. 19 Versicherung der selbstständigen Erarbeitung Hiermit versichere ich, daß ich die Arbeit selbstständig angefertigt, keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt und die Stellen der Facharbeit, die im Wortlaut oder im wesentlichen Inhalt aus anderen Werken entnommen wurden, mit genauer Quellenangabe kenntlich gemacht habe. Verwendete Informationen aus dem Internet sind dem Lehrer vollständig im Ausdruck zur Verfügung gestellt worden. 20