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Lexikon der Biologie: Heterocysten

Heterocysten [von *hetero- , griech. kystis = Blase], Grenzzellen, spezialisierte Zellen fädiger Cyanobakterien, in denen die (aerobe) Fixierung des molekularen (Luft-)Stickstoffs (N2) durch das Nitrogenase-System stattfindet ( vgl. Abb. 1 ). In einigen Arten können sie zusätzlich als Dauerzellen fungieren. Heterocysten ( vgl. Abb. 2 ) besitzen eine dickere Zellwand als die vegetativen Zellen, besondere Zellhüllen, aber nur das Photosystem I (nicht das O2-bildende Photosystem II) und das sauerstoffempfindliche Nitrogenase-System, das durch den Aufbau und den besonderen Stoffwechsel der Heterocysten geschützt ist. Da Heterocysten bereits in präkambrischen Cyanobakterien auftraten (vor 2 Milliarden Jahren), muß zu dieser Zeit die Atmosphäre (Uratmosphäre) bereits molekularen Sauerstoff (O2) in größerer Konzentration enthalten haben. Stickstoffixierung; Bakterien und Cyanobakterien .



Heterocysten

Abb. 1: Stark vereinfachtes Schema der Stickstoffbindung.
Zum O2-Schutz der Nitrogenase (N2-ase) ist außerhalb der Heterocystenzellwand eine Glykolipid- und eine Polysaccharidschicht (P) aufgelagert; außerdem besitzt die Heterocyste nur das Photosystem I (PSI) und nicht das O2-bildende Photosystem II (PSII). Durch die Veratmung von organischen Substanzen (aus der vegetativen Zelle) und von H2 wird auch der O2-Druck verringert; H2 entsteht durch Reduktion von Protonen (H+) im N2-ase-System. Der molekulare Stickstoff (N2) wird durch die N2-ase bis zum Ammonium (NH4+) reduziert – unter Verbrauch von ATP, das durch PSI (bzw. Atmung) gebildet wird, und reduziertem Ferredoxin (Fd), das im PSI oder durch Oxidation von Glucose-6-phosphat (G6P) entsteht. G6P ist Umwandlungsprodukt von Zuckern aus der photosynthetisch aktiven, vegetativen Zelle. Das NH4+ wird von Glutaminsäure (Glu) aufgenommen; es entsteht Glutamin (Gln), das durch den Porenkanal (PK) und Mikro-Plasmodesmen (MP) in die vegetative Zelle transportiert wird.



Heterocysten

Abb. 2: Interferenzkontrast-Aufnahme von Nostoc commune mit Heterocysten (Pfeile)

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