Eiweisskristalle in Pflanzenzellen. Eiweisskristalle in tierischen und menschlichen Zellen

130 Pages·1966·5.821 MB·German

by  Irmtraud Thaler (auth.), Irmtraud Thaler, Gertrude Eberl-Rothe (eds.)

PROTOPLASMATOLOGIA
HANDBUCH DER PROTOPLASMAFORSCHUNG
BEGRUNDET VON
L. V. HEILBRUNN . F. WEBER
PHILADELPHIA GRAZ
HERAUSGEGEBEN VON
M.ALFERT H. BAUER . C. V. HARDING P.SITTE
BERKELEY Ttl'BINGEN ROCHF.STF.R HEIDELBERG
MITHERAUSGEBER
W. H. ARISZ·GRONINGEN . J. BRACHET-BRUXELLES . H. G_ CALLAN· ST. ANDREWS
R_ COLLANDER-HELSINKI . K. DAN·TOKYO . E. FAURE-FREMIET·PARIS
A. FREY·WYSSLING-Z"ORICH . L. GEITLER-WlEN . K. HOFLER-WIEN
M. H. JACOBS-PHILADELPHIA . N. KAMIYA·oSAKA . D. MAZIA·BERKBLEY
W. MENKE-KOLN . A. MONROY-PALERMO . A. PISCHINGER-WIBN
J. RUNNSTROM-STOCKHOLM . W. J. SCHMIDT-GIESSEN
BAND II
CYTOPLASM A
B
CHEMIE
2
SPEZIELLE CYTOCHEMIE UND HISTOCHEMIE
b) ORGANISCHE VERBINDUNGEN
y) PROTEINKRISTALLE
1966
S PR IN G ER-VE RLAG
WIEN . NEW YORK
EIWEISSKRISTALLE IN PFLANZENZELLEN
VON
IRMTRA UD THALER
GRAZ
MIT 50 TEXTABBILDUNGEN
EIWEISSKRISTALLE IN TIERISCHEN
UND MENSCHLICHEN ZELLEN
VON
GERTRUDE EBERL-ROTHE
WIEN
MIT 8 TEXTABBILDUNGEN
1966
SPRING ER-VERLAG
WIEN . NEW YORK
ALLE RECHTE, INSBESONDERE DAS DER tlBERSETZUNG
IN FREMDE SPRACHEN, VORBEHALTEN.
OHNE SCHRIFTLICHE GENEHMIGUNG DES VERLAGES 1ST ES AUCH NICHT
GESTATTET,DIESES BUCH ODER TEILE DARAUS AUF PHOTOIlIECHANISCHEM
WEGE(PHOTOKOPIE, MIKROKOPIE) ODER SONSTWIE ZU VERVIELFA LTIGEN.
© 1966 BY SPRINGER·VERLAG/WIEN
LIBRARY OF CONGRESS CATALOG CARD NUMBER: 55·880
ISBN 978-3-211-80781-1 ISBN 978-3-7091-5483-0 (eBook)
DOl 10.1007/978-3-7091-5483-0
TITEL-NR. 8697
Protoplasmatologia
II. Cytoplasma
B. Cbemie
2. Spezielle Cytoebemie und Histoebemie
b) Organisebe Verbindungen
y) Proteinkristalle: EiweiBkristalle in Pflanzenzellen
Eiwei6kristalle in Pflanzenzellen
Von
IRMTRAUD THALER, Graz
Mit 50 Textahhildungen
InbaltsUbersiebt
Hnite
Vorwort .................. .
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
I. Eiwei6kristalle im Cytoplasma 4
1. ViruseinschluBkorper der Cactaceen . . . 4
2. Entstehen kristalliner Einschlnsse in cytoplasmatischen x-Korpern
(hesonders von Cactaceen und Nicotiana) . . . . . . . . . . . . . 10
3. Morphologie der fibrillaren Einschlu6korper von Cactaceell lind Nico-
tiana ..................... 13
4. Fihrillare Einschlu6korper anderer Pflanzen . . . . . . . . . 24
5. Hexagonale und anders geformte Eiwei6kristalle . . . . . . . 27
6. Eiwei6kristalle im Cytoplasma und Zellsaft der Thallophytell 3'>
II. E i wei 6 k r i s t a I lei m Z e II k e r 11 42
1. Allgemeines .. . . . . . . . 42
2. Form und GrU6e der Kristalle . . . 44
3. Vorkommen der KristalIe . . . . . 47
4. Durch Virus bedillgte Einschlu6korper 55
5. Das Entstehen und Auflosen der KristalIe 56
6. Eiwei6kristalIe in Nukleolen . . . . . . . 59
7. Die physiologische Bedeutung der Eiwei6kristalle im Kern 60
III. E i wei 6 k r i s t a II e i n P I a s tid en. . . . . . . . ()2
IV. E i wei 6 k r i s t a II e inA leu ron k 0 r n ern . . . . 69
V. M i k roc hem i e. Fix i e run gun d Far bun g d erE i wei 6 e i n-
schlu6korper it
VI. S chI u 6 W 0 r t (()
Lit era t u r . . . . . . 76
Namenyerzeicllnis 86
Vorwort
Der Begriinder und Herausgeber dieses Handbuchcs, mein verehrter
Lehrer Prof. Dr. FRIEDL WEBER, iibertrug mir vor numnehr neun Jahreu
die ehrenvolle Aufgabe, den Abschuitt "Eiweifikristalle In Pflanzellzellen"
Protop\asDlllto\ogin n:B!2 b y 1
2 II/BJ2 b r: IRMTRAUD THALER, EiweiRkristalle in Pflanzenzellcn
zu schreiben. Darin sollten, soweit als moglich, aIle in der Literatur weit
verstreuten und \'lielfach auch schwer zuganglichen Angaben tiber kristall
artige EiweiBeinschllisse in Cytoplasma, Kern, Plastiden und Aleuron
kornern zusammengetragen und unseren heutig'en Kenntnissen entsprechend
dargestellt werden. Durch die pflanzliche Virologie wurden zur Frage der
kristallartigen EiweiBeinschllisse wesentliche neue Gesichtspunkte beige
bracht, die nunmehr ausflihrlicher berlicks~chtigt werden muBten. WEBER
batte sich ja selbst viel mit ViruseinschluBkorpern befaBt; die viclen an
l'egenden Diskussionen mit ihm waren mir eine wertvolle Hilfe.
Leider sch{)b sich die Fertigstellung des Manuskriptcs infolge beruflicher
Inanspruchnahme, nicht zuletzt aber auch durch das zeitraubende Literatur
studium, immer wieder hinaus. Den Herausgebern und dem Verlag danke
ich flir ihr Verstandnis und ihre Geduld.
Allen jenen Autoren, die Originalvorlagen zur Reproduktion zur Ver
fligung gestellt haben, sage ich meinen besten Dank.
Herrn Prof. Dr. F. WIDDER danke ich flir wertvolle Ratsehlagc, Herrn
Prof. Dr. O. HARTEL flir zahlreiche Anregungen und fordernde Kri,tik.
Ich bin mir bewuBt, daB trotz aller Bemlihungen urn eine moglichst um
fassende Sammlung des Materials Vollstandigkeit nicht erreicht werden
konnte. Manche der weit verstreuten Arbeiten wird mir entgangen sein.
AIle Autoren, die davon bctroffen sein solI ten, mogen ?lir dieses Versehen
cntschuldigen; flir diesbezligliche Hinweise bin ich aufJ;tchtig dankbar.
Graz, iIll November 1964. IRMTRAUD THALER
Institut flir Anatomie und
Physiologie der Pflanzen,
Universitat Graz
Einleitung
Die Angaben iiber das erste Auftreten von geformtelll E'iweiB in den
Zellorganen reichen his in die Mitte des vorigen Jahrhunderts zurliek.
HARTIG (1855) beobachtete dicse Gcbilde ZUIll .crstcnmal in den Aleuron
kornerllder Samen, RADLKOFER (1859) :in deQ Zcllkcrnen von Lathraea,
CRAMER (1862) im Zellsaft der lIlarinen Rotalge Bornetia und KLEIN (1872)
in den Hyphen von Pilzcn. MOLlscH (1885) entdeckte die EiwciBspindeln
von Epiphyllum. Dureh geeignete Fixierung und Farbclllethodell konnten
die Einschllisse bei weiteren Algen. Pilzcn, Farnen und in verschiedenen
Organen der Bllitenpflanzen naehgewiesen werden. Zusammcnfasscnde Dar
stellungen liber die EiweiBkristalle in der Pflanzenzelle findet man bei
ZIMMERMANN (1893), MOLlscH (1913) und MEYER (1920). Aus diesen Arbeiten
gcht hervor, daB die EiweiBkrisialle in den Pflanzensippen. in denen sie
vork{)mmcn, sehr vcrschieden vcrbreitet sind.
Das Kapitel "EiweiBkristalle in Pflanzenzellen" schien damals durchaus
abgeschlossen. Das Interesse flir diese Kristalle erwachte erst wieder, als
man erkannte, daB sie als Folge einer Viruskrankheit auftretcn konnen.
IWANOWSKI (1903) hat erstmals amorphe und kristalline EinsehluBkorper in
mosa.ikkranken Tabakpf1.anzen gefunden. die den gesunden fehlten. Er be-
Einleitung 3
schrieb Kristalle von del' Form hexagonaler Prismen und beobachtetc ihr
Entstehen aus cytoplasmatischen x-Korpern. Es folgten nun mehrere An
gaben tiber das Auftreten von Einschlufikorpern amorpher odeI' kristalliner
Natur in viruskranken Pflanzen (KUNKEL 1921, SMITH 1924, GOLDSTEIN 192"
HOGGAN 192,). Diese Viruseinschliisse wnrden dann eingehend und zu
sammenfassend von BAWDEN (1950), GOLDIN (1954) und in letzter Zeit in
diesem Handbuch von SMITH (1958) behandelt. Es ist heutc elektronenmikro
skopisch bewiesen, dafi die cytoplasma,tischen x-Korper hauptsachlich aus
unregelmafiig gelagerten Virusteilchen bestehen, die kristallinen E.inschliissc
dagegen aus parallel liegenden Virusteilchen aufgebaut sind.
In diesem Artikel sollen sowohl Arbeiten tiber Eiweifikristalle, d,ie im
normalen Stoffwechsel entstehen, als auch solche, die sich mit Einschliissen
in viruskranken Pflanzen befassen, berlicksichtigt werden. Eine Vberschnei
dung mit dem Handbuchartikel von SMITH (1958) ist in manchcn Fallen
unvermeidlich.
Hier erscheint ein Hinweis auf den Gebrauch der Ausdrlicke Kristalle
bzw. Kristalloide angebracht.
Proteinkristallc unterscheiden sich in einigen Punkten von dpn Kristal
len im mineralogischen Sinne.
1. Ihre Doppelbrcchung ist wesentlich schwacher.
2. Sie sind quell- und farbbar, besitzen also cine lockere Struktur, die
das Eintreten von Mikromolekiilen erlaubt.
Kristalle sind undurchdringbar, ihre Auflosung geht von del' Obcrflache
aus. Proteinkristalle dagegen konnen durch ihre Quellbarkeit ihre Grofie
und ihre Form and ern. Dies ist wohl del' Grund dafiir, dafi sie keine streng
definierte Gestalt bcsitzen. Losende Reagcnzien greifen am Kristallunglcich
mafiig an, bilden in seinelll lnneren Hohlen oder splittern ihn auf. Sehr oft
wird eine lcicht IOs],iche Komponente ausgezogen.
Diese Unterschiede veranlafiten NXGELI (1862) dazu. fiir dic Eiwcifi
kristaUe den Begriff "Kristalloide" einzuJiihren und sic den ,.cchten Kristal
len" gegcniiberzustellen.
"Heute weifi man auf Grund dcr Rontgcnanalyse, dafi die Kristallgitter
del' Proteinkristalle gleich gebaut sind wie die Mikromolekiilgitter. Die
Grofie del' Eiweifimolekiile beding,t jcdoch freie Zwickelraume zwischen den
Kugelspharen (. ..) , ~n wclche Wasser- und andcrc Mikromolekiilc eintreten
konnen. Diese ordnen sich meistcns gesetzmafiig im Kristallgittcr an, sind
jedoch so schwach gcbunden, dafi sic durcll Erwarmung odeI' Losung daraus
entfcrnt werden konnen (. ..) . Auf Grund ihres Gitterbaues werden die
kristallisierten Proteine heute als echte Kristalle betrachtet" (FREy-WYSSLING
1955, 120, 123). Aus diesem Grunde wird in den folgenden Ausfiihrungen
del' Ausdruck "Kristalle" vorgezogen.
Die Eiweifikrisialle konnen in den Pflanzen im Cytoplasma, Zellsaf't.
Zellkern, in den Plastiden und Aleuronkornern vorkommen. Ob die Kristalle
im Zellsaft odeI' im Plasma liegen, ist nicllt in allen Fallen leicht zu cni
scheiden; deshalb werden sie im Folgenden nicllt getrennt behandelt. Selten
treten sie in allen Organen del' Zelle gleichzeitig auf. Viel haufiger sind sie
nul' illl Kern, iIll Plasma odeI' in den Plastiden zu beobachten. Werden abel'
1*
4 II/B/2 b),: IRMTRAUD THALER, EiweiJ.!kristallc in Pflanzenzellen
eiweiBkristallfiihrende Pflanzen in Ca-freien Niihrlosungen gezogen, so
sammeln sich viele Proteinkristalle an. Rivina humilis, die in der Regel nur
Kernkristalle fiihrt, bildet sie dann auch im Zellsaft. Veronica Chamaedrys,
die urspriinglich auch nur im Kern die Kristalle besitzt, bildet sie dann
auch in den Plastiden aus (STOCK 1892).
Eingehender werden die fibrilliiren EinschluBkorper der Cactaceen be
handelt, die in der letzten Zeit genau untersucht wurden. V,iruskranke
Cactaceen zeigen niimlich meist keine iiuBeren Krankheitssymptome und
die amorphen und kristallinen Einschliisse sind die einzigen Anzeichen einer
Krankheit. Es handelt sich hier um latente Virustriiger. Auf Grund der aus
fiihrlichen Untersuchungen von AMELUNXEN (1958) ist die Struktur dieser
Gehilde und ihre bioehemisehe Zusammensetzung genau bekannt.
Die Namen der kristallfiihrenden Pflanzen wurden ohne Riicksicht auf inzwi
sellen durchgefiihrte Nomenklaturanderungen aus der jeweiligen Originalarbeit
iibernommen. Bei den Pflanzennamen findet sich nur selten die Angabe des Autors,
so daJ.! es heute vielfach unmoglich ist, festzustellen, welche Pflanze tatsaehlieh unter
sucht wurde. Ein Andern der Namen wiirde nur zu Irrtiimern und Verwechslungen
fiibren und den Vergleich mit der Originalarbeit erschweren. Die Autornamen, die.
wie gesagt. in seltenen Fallen angegeben sind. wurden weggelassen. Die Familien
wurden naeh WETTSTEIN (1933, 1935) angeordnet.
I. Eiwei8kristalle im Cytoplasma
1. ViruseinschluBk6rper der Cactaceen
In den Epidel'miszellen vieleI' Cactaceen treten EiweiBkorper von
spindel-, ring- und fadenartiger Gestalt auf. Diese Gebilde lInterscheiden
sich von den Kristallen durch ihren fibrilliiren Ball. Derartige Formen fand
ershnals MOLIscH (1885) ,inselarHg verbreitet in der Epidermis lind in den
benaehbarten Geweben versehiedener Epiphyllum-Arten 1 (Abb. 1). CHMIE
LEWSKY (188?), der sich VOl' aHem mit der ehemisehen Natur del' Spindeln
befaBte, hieIt sie fiir Globuline. Da cr sie in alten Kladodien ebenso hiiufig
fand wie in jungen und da sie beim Verdunkeln der Pflanze nicht ver
schwanden, hielt er diese Inhaltskorper fiir Ausscheidungsprodukte.
Um die gleiche Zeit fand LEITGEB (lInveroff., Angabe von HEINRICHER 1889)
iihnliche Inhaltskorper in den Epidermiszellen von Opuntia viren.~. GICKL
HORN (1913) priifte daraufh.jn eine groBe Zahl von Opuntia-Artcn. Er konnte,
wie MOLIscH (1885), in allen von ihm untersuehten Aden ein regeImiiBigcs
Auftreten ,der Spindeln beobaehten (vgl. Liste S. 9. 10). Da er sie hauptsiich
Heh in wachsenden Organen fand, in allerjiingsten und in iilteren Gewcbe
teilen vermiBte, hielt er sie fiir Reservestoffe.
Neue Gesiehtspunkte ergab das Pfropfen von Epiphyllum auf andere
Kakteen. Bekanntlich werden die kultivierten Epiphyllum-Arten auf andere
Kakteen, namlieh hauptsiichlich auf Pereskia aculeata, aber aueh auf
Opuntia brasiliensis oder Pereskiopsi.~ gepfropft. MIKoscH (1908) fand nun
Epiphyllum trullcatum ist mit Zygocactus trullcatus und Sdtlumbergera
I
identisch.
Eiweifikristalle im Cytoplasma 5
auch in Pereskia aculeata. allerdings nicht in allen Exemplaren, Spindeln.
Ringe und schleifenartige Gebilde. Er nahm an, daB die sp,indelbildende
Substanz yom Reis in die Unterlage wanded. konnte aber nicht ein
deutig feststellen, ob Pereskia auch allein die Fahigkeit hat, Spindeln zu
bilden.
KLEBAHN (1928) sah in viruskranken Anemonen und in mosaikkranken
Tabakpflanzen EinschluBkorper, die er mit denen von Epiph.IJllum vel'
glich. Er vermutete als ers-ter, daB es sich bei den EiweiBspindeln von Epi
ph.IJllum urn ein durch ein Virus hervorgerufenes Krankheitssymptom han
deln konnte. RosENZ;OPF (1951) loste diese Frage experimentell. Sie stellte
fest, daB Epiphyllulll Brid~esii und
Epiphyllulll {runcalwlt nUl" dann Ei
weifispindeln ausbilden, wenn sie auf
Pereskia aculeata gepfropft werden.
Aus Samen oder aus Stecklingen ge
zogene Pflanzen waren stets spindel
£rei. MOLlscH (1885) sowie MIKOSCH (1908)
dagegen gaben die EiweiBspindeln
fiir aIle Epiph.IJllum-Pflanzen an. ROSEN
ZOPF (1951) pfropfte nun spindelfreie
Pflanzen auf spindelhaltige und um
gekehrt. Sie heobachtete, daG. £las
spindelbildende Agens von del" spindel
haltigen Pflanze in den spindelfreien
Pfropfpartner iiherging. gleichgii Itig,
01> das Reis oder die Unterlage
das infektiose Agens enthielt. Auch
durch Injektion von Gewehesaft
spindelhaltiger Pflanzen in spindel
freie entstanden EiweiHkol'per. Weitel's
blel'bt del' spl'ndelhaltl'ge Gewel)e- Abb.1. Epipityllll.m. Eiwcif.lgebiltle ill de .. Epi
derlllis (MOLISCHIHOFLEIt 1961). \"f'f~r. 400 x.
saft auch dann noch infektios,
wenn er das Berkefeld-Filter passiert; er behalt bis zn 70 Grad seine Wirk
samkeit.
Die Ahn].ichkeit del' Spindeln mit Zelleinschltissen, die in sicher virns
kranken Pflanzen (z. B. 'I'MV vgl. S. 21) vorkommen, und das Auftreten
cytoplasmatisrner EinschluHkorper sprechen fur eine Viruskrankheit.
Die Dbertragbarkeit des spindelbildenden Agens bestatigten WEBER
(1954 a) durcll Pfropfen eines spindellosen Sprosses von Opuntia Kleiniae
auf spindelhaltige Opuntia .subulata und MILH~lc (1954) dUTch Dberimpfen
spindelhaltigen Gewebesaf.tes von Opuntia bra"ilien.si.~ auf spindelloses
Epiphyllum truncatum. Bei jener Pflanze liegt del' seltene Fall Yor, daB die
EiweiBkorper nicht nul' illl Cytoplasma, sondern auch in den Zellkernen
vorkommen und dod ebenfalls e,ine deutliclt fibrillare Struktur zeigen. Beide
EinschluBkorper lieBen sich auch in Epiphyllum wieder find en.
Der naehste Sclnitt war nun, das Virus zu finden und zu beschreihen,
um endgtiltig nachzuweisen, daB es sich hei den EinschluBkorpern wirklich
6 II/B/2 b r: lRMTRAFD THALER, Eiweiftkristalle in Pflanzcllzellen
um ViruseinsehluBkorper handelt. Von SUHOV und NIKIFOROVA (1955) nnd
vor allem von AMELUNXEN (1956 b, 1957, 1958) wurden die EinsehluBkorper
der Kakteen elektronenmikf()skopiseh untersueht (Abb. 2). AMELUNXEN 1958
isolierte aus Homogenaten spindelhaltiger Opuntia monacantha fadige Teil
chen von elektrophoretiseh festgestellter einheitlieher GroBe. Die Lange der
Teilchen betragt etwa 500 milt und ihre Dicke 22 m,u. Die Art des linearen
und lateralen Aneinanderlagerns der Virusteilehen in 25 Tage alter Losung
Abb. 2. Kakteen· Yirus (A)[ELUXXEX 1()5:». Yergr. \10000 >: •
zeigt die Abb. 3. BRANDES und WETTER (1939) fanden in den spinclelhaltigell
Kakteen zwei Aden von Viren. Den "Cactus virus 1" , dessen Lange unge
fain 515 lll,ll betragt (konnte mit dem von AMELUNXEN 119581 identiseh sein)
und den "Cactus virlls 2" mit einer Lange von 650 Ill!l. Aueh SAMMONS nnd
CHESSIN (1961) beobachteten in den Kakteen Virllsteilchen von versehiedenel'
Lange. Die einen w.aren wieder 515 m!t lang. die anderen jedoeh 300 Ill,ll.
Wie lUan ails den Angaben sieht, besteht hinsiehtlieh del' Teilchengl'oBe del'
Viren noch keine Dhere-instimlllung. Auf Grund absorptionsspektrometri
scher nnd papierchromatographiseher Untersuchungen bestehen die isolier
ten Teilchen aus Protein und einer Ribonukleinsaure. "Das Protein setzt
sieh aus den Aminosallren: Asparaginsaure, Glutaminsaure, Serin, Glycin.
Threonin. Alanin, TFosin. Valin, Phenylalanin, Leuein. lsoleucin. Prolin.
Arginin, Lysin. Cystein. Tryptophan und Histidin zllsammen" (AMELUNXEN
1958, S. 170). AMELUNXEN iibertrug die Par,tikelchen auf spindelfreie Kak
teen. In diesen bildeten sieh dann x-Korper und versehieden geformte fibril
lare lnhaltskorper. Die EiweiBspindeln besitzen also eine parakristalline
StruktuI' und sind aus longitudinal und lateral ag.gregierten Virusteilchen
aufgebaut. Damit wurde die Ansieht von ROSENZOPF (1951), WEBER, KENDA
Eiweiflkristalle im Cytoplasma 7
und THALER (1953) und MILICIC (1954), dafi Eiweifikorper nur III Vlru~­
kranken Kakteen auftreien, bestatigt.
Abb. 3. Lincare IIl1d )atcralc Aggl'cgat,ion de .. Yirusteilchcn. 25 Tage alto Liisllng. YenHinnllngsstufe 5. Bcd.
W. 25'. 2i 000: 1 (.-\~IEL(,XXEX 19;;R).
Merkwiirdigerweise zeigen Pflanzen, die von diesen Virell bef.allen sind,
meist keine aufieren Krankheitssymptome. N ur gelegentlich wurden aufiere
Veranderungen angegeben. GOLDIN lind FEDOTINA (1956 b) hoben hervor, dafi
sich die Kakteenvirose durch keine aufieren Sympiome auszeichnet und
nahmen an, daft die Mosaikkrankheit, die BLATTNY und VUKOLOV (1932) bei