Synthese von Stärke

Grundlagen: Energetische Kopplung

Stoffwechselreaktionen in der Zelle sind entweder exergonisch, d.h. es wird Energie freigesetzt (z.B. Glucoseabbau), oder endergonisch, also Energie verbrauchend (z.B. Aufbau von Proteinen aus Aminosäuren). Wird nun eine endergonische Reaktion mit einer exergonischen verknüpft, die mehr Energie liefert, als die endergonische verbraucht, so ist die Gesamtbilanz beider Reaktionen exergonisch.

Nun laufen aber die verschiedenen Stoffwechselreaktionen in unterschiedlichen Kompartimenten der Zelle ab. Die beim exergonischen Glucoseabbau freiwerdende Energie muss also auf ein Zwischenprodukt übertragen werden, das beweglich ist und an die Orte des Bedarf transportiert werden kann. Dort kann das energiereiche Zwischenprodukt wieder abgebaut werden, die dabei freiwerdende Energie steht nun dem endergonischen Vorgang zur Verfügung.

Für diese Kopplungsreaktion wird in der Zelle in den meisten Fällen ATP als energiereiches Zwischenprodukt benutzt: der Aufbau von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat ist eine endergonische Reaktion, beim Abbau von ATP wird also wieder Energie freigesetzt, die dann anderen endergonischen Prozessen zur Verfügung steht.

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Grundlagen: Biosynthese von Stärke in Pflanzen:

In den grünen Blättern entstehen als Endprodukte der Fotosynthese Glucose und Fructose. Beide Zucker liegen in aktivierter Form als Glucose-1- bzw. Fructose-1-phosphat vor. Eine Zuckeranhäufung in Zellen erhöht den osmotischen Wert des Zellsaftes sehr stark und stört somit die Zellfunktionen. Die Pflanzen vermeiden diese Gefahr auf dreierlei Weise:

1. Durch Bildung des Disaccharids Saccharose aus Glucose und Fructose wird der osmotische Wert halbiert.
2. In der Lichtphase wird in den Blättern aus Glucose die unlösliche und deshalb osmotisch unwirksame Assimilationsstärke aufgebaut und in Form kleiner Körner in den Chloroplasten gespeichert. In der Dunkelphase wird diese Stärke abgebaut und das dabei frei werdende Glucosephosphat zur Saccharosebildung verwendet.
3. Die Saccharose wird im Siebteil der Gefäße zu den Speichergeweben geleitet und dort für den Aufbau von Speicherstärke in den Amyloplasten verwendet, so z.B. in der Kartoffelknolle.

Die Stärkesynthese in Plastiden läuft nach [1] und [4] wie folgt ab:

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Im Reagenzglas ist nach [2] eine Stärkesynthese möglich, wenn man zwei Bedingungen erfüllt:

1. Die für die Stärkesynthese nötigen Enzyme müssen frisch aus Zellsaft (z.B. einer Kartoffel) gewonnen werden.

2. Die Glucose, aus der die Stärke aufgebaut werden soll, muss in aktivierter Form als Glucose-1-phosphat vorliegen.

Zum Experiment:

Aus Glucose-1-phosphat soll mit Hilfe von Enzymen aus Kartoffelzellen Stärke hergestellt werden. Für den Versuch muss man die Enzyme (ADP-Glucose-Pyrophosphorylase und Stärkesynthase) nicht aus dem Kartoffelpresssaft isolieren. Allerdings muss sichergestellt sein, dass der Presssaft keine Stärke mehr enthält. Dies erreicht man, indem man den Presssaft mit der Wasserstrahlpumpe durch einen Büchnertrichter mit Rundfilter abnutscht. Da die Enzyme nur weniger als eine Stunde haltbar sind, muss die Enzymlösung sofort nach ihrer Gewinnung für die Stärkesynthese verwendet werden. [3]

Didaktischer Hinweis:

Der Versuch kann unter dem Gesichtspunkt der "energetischen Kopplung" eingesetzt werden (LPE 1: Von der Zelle zum Organ). Er zeigt, dass als Ausgangsstoff zur Stärkesynthese nur aktivierte Glucose = Glucose-1-phosphat geeignet ist und nicht Glucose.

Bei der Versuchsauswertung stellt sich jedoch die Frage, weshalb beim Versuchsansatz mit Glucose keine Stärke entsteht, obwohl der Kartoffelpresssaft ATP enthält. Im Pflanzenstoffwechsel entsteht G-1-P nicht durch Phosphorylierung von Glucose, sondern in einer Reaktionskette aus Fructose-1-phosphat. Im Kartoffelpresssaft fehlen die zur Bildung von G-1-P erforderlichen Enzyme. Die Versuchsergebnisse bieten für den Unterricht gute Möglichkeiten zu problematisieren und naturwissenschaftliches Denken mit den Schüler/innen einzuüben.

Materialien:

Reibe, Saugflasche, Büchnertrichter und passende Rundfilter, Wasserstrahlpumpe Reagenzgläser , RG-Ständer, Tüpfelplatte, Tropfpipetten

Kartoffel, Lugolsche Lösung, Glucose-Lösung (w = 1 %), Glucose-1-phosphat-Lösung (w = 1 %) [alpha-D-Glucose-1-phosphat, Dinatriumsalzdihydrat oder Dikaliumsalzdihydrat].

Durchführung:

• Eine große Kartoffel reiben (mit Handreibe oder elektr. Schnitzelwerk mit entsprechendem Reibeinsatz)
• Kartoffelsaft abnutschen
• Kartoffelsaft (= Enzymlösung) aus der Saugflasche in ein Reagenzglas abgießen
• Auf Tüpfelplatte etwas Kartoffelsaft mit 1 Tr. Lugolscher Lösung versetzen (s. Skizze) und auf Anwesenheit von Stärke testen
• 2 Reagenzgläser vorbereiten:

  A: ca. 1 mL Glucose-Lösung

  B: ca. 1 mL Glucose-1-phosphat-Lösung

• In 4 Vertiefungen der Tüpfelplatte jeweils einige Tropfen Kartoffelsaft und Glucoselösung bzw G-1-P Lösung geben (siehe Skizze)
• Nach 5 bzw. 10 min je 1 Tr. Lugolsche Lösung zugeben (siehe Skizze).

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Literatur zur Stärkesynthese:

[1] U.Kutschera: Kurzes Lehrbuch der Pflanzenphysiologie. Quelle & Meyer, Wiesbaden 1995

[2] K.Freytag: Fermente. Salle, Frankfurt 1966

[3] R.Hedewig: Stärkesynthese im Reagenzglas. Unterricht Biologie 38/22.Jg.,10(1998),48/49

[4] D.Nelson, M.Cox: Lehninger Biochemie. 3.Auflage, Springer 2001

Autoren: StD Gerhard Braun, Gymnasium bei St. Michael, 74523 Schwäbisch Hall
&nbspStR`in Ursula Gegler-Hertler, Maria von Linden-Gymnasium, 75365 Calw

Webbearbeitung: Ursula Gegler-Hertler