Wilhelm Menke

Untersuchungen über den Feinbau des Protoplasmas mit dem Universal-Elektronenmikroskop

Unsere Vorstellungen fiber die feinere Struktur des Protoplasmas, seiner Organe und Derivate sind immer noch mehr auf theoretische Oberlegungen als auf experimentell erarbeitete Tatsachen begrfindet. Die Mteren Strukturtheorien, wie Granular-,: Fibrillarund Wabentheorie, haben sich als allzu einseitig und der Vielgestaltigkeit der Eigenschaften und Leistungen des Protoplasmas gegenfiber als hilflos erwiesen. Auch die Annahme, dab das Protoplasma ein kolloiddisperses System mit nicht oder nur wenig miteinander in Beziehung tretenden Teilchen sei, macht zwar einige wenige Eigenschaften des Protoplasmas verst~ndlich; sie ist aber doch so allgemeiner Art, dab sie nicht einmal das Gestaltproblem des Protoplasten einer Kl~rung niiher bringt. Die Fortschritte auf dem Gebiete der physikalischen Chemie hochmolekularer Biokolloide, sowie die an einigen der Untersuchung leichter zugi~nglichen Objekten gesammelten Erfahrungcn sind seit einigen Jahren in steigendem MaBc auf die Vorstellungen vom Bau des Protoplasmas fibertragen worden. So hat F r e y W y s s l i n g (1938), ausgehend von seinen Ergebnissen fiber den Zellwandbau, fiir das Protoplasma Strukturschemata entworfen, die Molekiilgestalt und intermolekulare Kr~fte als Konstruktionselemente verwenden. Man kommt so zu Bildern vom Bau des Protoplasten und seiner Organe, die grunds~tzlich sowohl den Zellforscher, wie auch den Physiker und Chemiker befriedigen. Allein es muB betont werden, dab auch die von F r e y W y s s l i n g entwickelten Anschauungcn was er fibrigens auch selbst betont im einzelnen auf experimentell nicht gesicherten Grundlagen aufgebaut sind; denn die Erforschung der chemischen Zusammensetzung der einzelnen Zellorgane steckt noch in den ersten Anf~ngen und daher kSnnen auch keine bfindigen Aussagen fiber die Gestalt der Molekfile und die spezifischen, yon ihnen ausgehenden Kr~fte gemacht werden. Diese Sachlage wird verst~ndlich, wenn man bedenkt, dab zur Untersuchung der molekularen Architektur bisher kein direktes Verfahren zur Verffigung stand. Die indirekten Methoden sind aber hinsichtlich der Deutung ihrer Ergebnisse vielfach unsicher und in ihren AnwendungsmSglichkeiten auf das Protoplasma sehr begrenzt. Erst durch die jfingste Entwicklung der Elektronenfibermikroskopie 1)

Chloroplasten-Studien: 2. Mitteilung

h n 3. Teil der 1. Mitteihmg fiber meine Chloroplasten-Studien (Menke 1934) wurde dargelegt, dab optisehe Anisotropie eine den Chloroplasten ganz Mlgemein zukommende Eigensehaft ist. W/thrend der Drucklegung der 1. Mitteilung ersehien eine kurze Arbeit yon K f i s t e r (1934), worin ebenfMls der Naehweis der Chloroplasten-Doppelbreehung erbracht wird. Mit diesem Naehweis ist nun die ultramikroskopische Struktur, deren Elemente von einer Gr6Benordnung sind, die klein ist im Verh~ltnis zur Wellenlgnge des Lichtes, der optisehen Untersuehung zuginglieh. Diese Struktnr aufzukl~ren, so weir das mit Hilfe des Polarisationsmikroskopes m6glich ist, war die Aufgabe der vorliegenden 2. Mitteilung.

Weitere Untersuchungen zur Entwicklung der Plastiden von Oenothera hookeri

An Hand von elektronenmikroskopischen Aufnahmen wird die Struktur der Plastiden im Sproß- und Wurzelmeristem von Oenothera hookeri besprochen. Bei Fixierung der Gewebe mit Kaliumpermanganat werden die Membranen und die lamellaren Strukturen im Inneren der Plastiden so kontrastreich abgebildet, daß man die Morphogenese des Lamellen-Systems der Chloroplasten in seinen Einzelheiten verfolgen kann. Die Plastiden bestehen im Zustand ihrer größten entwicklungsgeschichtlichen Reduktion wahrscheinlich aus einem Stroma, welches von einer doppelten Membran umgeben ist. Die ersten Lamellen werden aus der inneren Plastidenmembran durch Einstülpung gebildet. So entstehen nach Ablösen der Einstülpungen von der Membran in sich geschlossene Doppellamellen, welche in kleinere Teilstücke zerfallen können. Diese teilen sich der Fläche nach, wofür ein möglicher Mechanismus, der ebenfalls auf Einstülpung beruht, angegeben wird. Die so entstandenen Lamellenstapel vereinigen sich nunmehr wahrscheinlich durch Vergrößerung einzelner Lamellen zu Schichten. Die Anordnung von Grana- und Stromalamellen in ausgewachsenen Chloroplasten wird durch ein Schema verdeutlicht.

Dichroismus und Doppelbrechung Vergoldeter Chloroplasten

ZusammenfassungEs wird versucht, die von pflanzlichen Objekten mit Erfolg bisher nur an der Zellwand durchgeführten dichroitischen Edelmetallfärbungen für die Erforschung des Feinbaues der Chloroplasten zu verwerten. Die Analyse von Dichroismus und Doppelbrechung goldgefärbter Chloroplasten macht eine zweidimensional periodische Anordnung der submikroskopischen Goldkristalle wahrscheinlich, und aus dieser kann weiterhin ein lamellarer Bau der Chloroplasten gefolgert werden, der auch auf Grund anderer Befunde naheliegt. Diebisher vorliegenden Beobachtungen an lebenden Chloroplasten lassen sich mit der Annahme eines optisch aktiven, dichroitischen, negativ einachsig doppelbrechenden Systems mit Austritt der optischen Achse normal zur Frontalansicht physikalisch erklären, womit die hier entwickelten Vorstellungen gut vereinbar sind.

Sterole in Blättern und Chloroplasten

The nature and quantity of sterols in leaves and chloroplasts of Spinacia oleracea, Antirrhinum majus, and Allium porrum were determined. From dried leaves 0.05 - 0.18% free and esterified sterols were isolated, and 0.04-0.09% from chloroplasts. Although approximately half the lipids of leaves is localized in chloroplasts we found no more than a quarter of leaf sterols in the chloroplasts. The mixture of sterols contains a major sterol and minor sterols in these species. In spinach a-spinasterol is the major sterol and in Antirrhinum and Allium β-sitosterol. Moreover, we established Δ7-stigmastenol and cholesterol in spinach. Besides for free sterols, leaves contain sterol esters and glycosides. Palmitic acid is the binding partner in the sterol esters of spinach, and glucose and mannose are the binding partners in sterol glycosides. Chloroplasts contain the same sterols as leaves do. Only a trace of sterol glycosides could be detected in chloroplast preparations.

Beobachtungen über die Entwicklung der Archegonien von Dryopteris filix mas

An Hand von elektronenmikroskopischen Aufnahmen werden fünf charakteristische Stadien der Archegonien-Entwicklung beschrieben. In allen untersuchten Entwicklungsstadien enthält die Eizelle Plastiden und Mitochondrien. Eine Eliminierung und Neubildung von Plastiden und Mitochondrien wurde nicht beobachtet. Während der Reifung der Eizelle wird der Zellkern amöboid und entsendet zahlreiche Fortsätze in das Cytoplasma. Die Membransysteme des Cytoplasmas zeigen während der Eireifung einen charakteristischen Form- und Strukturwechsel. Die reife Eizelle ist von einer vom Cytoplasma ausgeschiedenen Schicht bedeckt.

Strukturuntersuchungen an Plastiden

Orientierende Röntgenkleinwinkel-Untersuchungen an isolierten Chloroplasten von Antirrhinum majus und an Chloroplasten lebender Zellen von Chlorella pyrenoidosa haben folgendes ergeben: Die ungestörte Periode der Thylakoidstapel beträgt 177 ± 3 Å. Die Thylakoide bestehen aus zwei asymmetrisch gebauten Membranen, die spiegelbildlich zueinander liegen. Die einzelnen Thylakoidmembranen setzen sich aus einer kompakten Lipidschicht von maximal 35 Å Dicke und einer korpuskular gebauten Proteidschicht mit einer Periode von etwa 36 Å in der Schichtebene zusammen. Der Schwerpunktsabstand beider Schichten beträgt 41 ± 1 A. Vergleichend ausgeführte elektronenmikroskopische Untersuchungen ergaben für die Periode Werte zwischen 230 und 360 Å.

The Effect of an Antiserum to Plastocyanin on Various Chloroplast Preparations

Abstract A monospecific antiserum to tobacco plastocyanin agglutinates strom a-free sw ellable chloroplasts from wild type tobacco, (Nicotia na tabacum var. John William’s Broadleaf) from the tobacco aurea mutant Su/su2, (Nicotiana tabacum var. Su/su2) from Antirrhinum majus and spinach (Spi-nacia oleracea). In this condition the antiserum inhibits linear photosynthetic electron flow in tobacco and spinach chloroplasts. This inhibition of electron transport as well as the agglutination are not observed if the chloroplasts have been sonicated prior to antiserum addition. This is due to the fact that plastocyanin is removed by ultrasonication. The antiserum stimulates a number of photophosphorylation reactions in tobacco chloroplasts. This stimulation is always larger in the aurea mutant chloroplasts and in chloroplasts from yellow leaf patches of a variegated tobacco mutant (N . tabacum , var. NC95) than in the green type chloroplasts. The stimulation appears to be a consequence of the inhibition of linear electron transport. The antiserum does not affect PMS-mediated cyclic photophosphorylation in tobacco chloroplasts from the wild type whereas the reaction appears stimulated in the tobacco mutant chloroplasts. However, menadione-mediated cyclic photo phosphorylation is inhibited upon addition of the antiserum. The same is true for noncyclic photo phosphorylation coupled to electron transport in the aerobic system diaminodurene/ascorbate → methylviologen in the presence of N-tetraphenyl-p-phenylenediamine in spinach chloroplasts. If the lamellar system of Antirrhinum and spinach has lost its swellability neither agglutination nor inhibition of electron transport is observed. However, also in this state antibodies to plasto cyanin are specifically adsorbed onto the surface of the thylakoid membrane. This state which is characterized by a morphologically well preserved lamellar system is realized in chloroplast prepa rations from Antirrhinum and spinach and is termed stroma-freed, chloroplasts. In both states of the molecular structure of the thylakoid membrane, plastocyanin is located in the outer surface of the thylakoid. However, it cannot be excluded that functioning plastocyanin is also located in the interior of the thylakoid membrane.

Immunological evidence for the presence of latent Ca2 dependent ATPase and carboxydismutase on the thylakoid surface.

Antibodies were prepared against carboxydismutase and latent Ca2⊕ dependent ATPase (coupling factor) purified from Nicotiana tabacum. The antibodies against carboxydismutase inhibit the enzymatic activity of the purified protein, while those against coupling factor inhibit the Ca2® dependent ATPase activity of the protein as well as the photophosphorylation of the chloroplasts. The antisera against these two proteins agglutinate the isolated lamellar systems of chloroplasts. The lamellar systems after repeated washes with ethylene diamine tetra-acetic acid loose their capacity to agglutinate with the antibodies. So treated lamellar systems regain their capacity to agglutinate when preincubated with purified coupling factor and carboxydismutase. It is concluded that coupling factor and carboxydismutase molecules are present on the outer surface of the thylakoids. The antisera against the proteins isolated from Nicotiana show cross reactions with preparations of Antirrhinum. Coupling factor and carboxydismutase are non-uniformly distributed on the surface of thylakoids. Electron microscopy shows no evidence that coupling factor represent knobs attached to the surface of the thylakoids.

Antibodies to chlorophyll and their reactions with chloroplast preparations.

Antibodies to chlorophyll are specifically adsorbed onto the membrane surface of thylakoids. The antibodies inhibit photosynthetic electron flow from water to NADP⊕. This inhibition is presumably caused by adsorption of the antibodies onto the centre chlorophyll of light reaction II. Fragments of the thylakoid membrane, obtained by ultrasonication and subsequent fractioning centrifugation, exhibit only photosystem-I activity. Conversely, the specific adsorption of antibodies to sensitizer chlorophyll has no inhibitory effect on electron transport. The ferricyanide Hill reaction of chloroplast preparations is inhibited by chlorophyll antibodies. From these observations it is concluded that the centre chlorophyll of light reaction II and at least part of the sensitizer chlorophyll is located on the surface of the thylakoids. As agglutination is sterically inhibited by the membrane protein, it is assumed that the chlorophyll is located in gaps or pores of the protein layer. Two fractions of the lamellar system exhibit photosystem I activity of different characteristic electron donor specificity. These fractions can be further distinguished in terms of their circular dichroism and protein composition.